Curso de tuberías para plantas de proceso - 0210 Recipientes Verticales

CURSO AVANZADO PARA EL DISEÑO DE TUBERÍAS. EN PLANTAS QUÍMICAS, PETROQUÍMICAS, FARMACEUTICAS, FARMACEUTICAS, NUCLEARES, ALIMENTARIAS, ALIMENTAR IAS, ETC. 0210

LOS RECIPENTES VERTICALES

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]

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

LOS RECIPIENTES VERTICALES.

Índice de la unidad: 01 INTRODUCCIÓN. 02 LA ENVOLVENTE. 02.1 La carcasa. 02.2 Los cabezales y/o fondos. 02.3 La transición troncocónica. 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. 08 LOS ACCESORIOS INTERIORES DEL RECIPIENTE. 09 LOS ACCESORIOS ACCESORIOS EXTERIORES DEL RECIPIENTE.

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



Índice de la unidad: 01 INTRODUCCIÓN. 02 LA ENVOLVENTE. 02.1 La carcasa. 02.2 Los cabezales y/o fondos. 02.3 La transición troncocónica. 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. 08 LOS ACCESORIOS INTERIORES DEL RECIPIENTE. 09 LOS ACCESORIOS ACCESORIOS EXTERIORES DEL RECIPIENTE.



2



01 INTRODUCCIÓN. Como se ha reiterado en capítulos anteriores, con la denominación de recipientes a presión se encuadra a los aparatos constituidos por una envolvente, normalmente metálica, capaz de contener un fluido, líquido o gaseoso, cuyas condiciones de temperatura y presión son distintas a las del medio ambiente. Los recipientes en general, son elementos muy importantes como componentes básicos de las instalaciones

de

las

plantas

químicas,

petroquímicas, farmacéuticas, alimentarias, o nucleares; particularmente por los cambios tienen lugar dentro de estos equipos. Los recipientes verticales llamados torres o columnas, son piezas clave en las plantas químicas y petroquímicas. Figura 01; Vista parcial de refinería con recipientes verticales.

La denominación de estos equipos suele ser acorde con la función que se realiza en el interior del recipiente, y/o dentro de la planta; por lo que una torre que fracciona propano, el cual abandona la torre por la parte superior en fase vapor, suele ser llamada “depropanizador”; un “debutanizador“ es un recipiente en el que se fracciona butano, y así sucesivamente. Otro ejemplo de ello es la reacción química que se produce en el interior de los reactores, o la separación que tiene lugar dentro de una torre de fraccionamiento, es decir, en toda planta industrial existen recipientes a presión que desarrollan diversas funciones, tales como: ? Reactores; Reactores; en ellos se producen producen transformaciones transformaciones químicas, químicas, normalmente normalmente sus condiciones condiciones de de presión y temperatura temperatura son severas. severas. ? Torres; en las que que se producen producen transformaciones transformaciones físicas, físicas, algunas algunas de estas, son: son: ? Separación de componentes ligeros y pesados mediante destilación. ? Separación de fases, líquido-vapor, o líquidos no miscibles con diferentes densidades. ? Absorción, Arrastre con vapor, etc. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.


3



? Recipientes Recipientes verticale verticaless que realizan realizan la misión de acumulac acumulación ión de fluido, es decir decir son simplemente depósitos. La forma más común de los recipientes a presión es la cilíndrica, por su más fácil construcción y requerir menores espesores que otras formas geométricas para resistir una misma presión, salvo la forma esférica, cuyo uso se reduce a grandes esferas de almacenamiento,

dada

su

mayor

complejidad en la construcción. Los

recipientes

cilíndrica,

bajo

verticales el

punto

de de

forma vista

constructivo, incluyen los reactores, torres y recipientes propiamente dichos, tanto en lo que se refiere a sus componentes interiores como a los exteriores. Los diversos tipos de apoyos se diseñan en función de las características del recipiente y del lugar donde debe situarse. Figura 02; Recipiente vertical con 3 patas.

02 LA ENVOLVENTE. En los aparatos cilíndricos, que son los más usados y difundidos en la industria química, petroquímic petroquímica, a, etc., la envo envolvent lvente, e, como se ha indicado, indicado, es la envo envoltura ltura metálica metálica que forma el recipiente, está formada, básicamente, por dos elementos: ? El cuerpo cuerpo o parte parte cilíndrica, cilíndrica, también también llamado llamado carcasa. carcasa. ? Los fondos fondos o tapas que cierran cierran los extremos. extremos. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.


4



En los recipientes verticales la envolvente puede estar constituida por uno, o más tramos de virolas realizadas mediante chapas de acero soldadas longitudinalmente, con igual diámetro, o por varios cilindros de diversos diámetros, como las torres de vacío, reactores, etc., cuya unión se realiza mediante virolas troncocónicas que realizan la transición. Otra alternativa, particularmente empleada en reactores, es la obtención de la envolvente partiendo de lingotes forjados (sólo para equipos con grandes espesores). Figura 03; Alzado de torre de vacío y strippers.

Se describen a continuación, bajo el punto de vista constructivo, las partes que conforman la envolvente de un recipiente cilíndrico vertical: ? La carcasa. ? Los fondos. ? La transición troncocónica, que no existe en todos los casos. Posteriormente se describirán los restantes elementos que complementan a la envolvente, como son: ? Los apoyos mediante patas o faldón. ? Las tubuladuras. ? Los accesorios interiores. ? Los clips para plataformas, escaleras y soportación de tuberías. Figura 04; Soldadura de carcasa en taller.



5



02.2 La carcasa. Como se ha indicado en el caso de los recipientes horizontales, 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. En los recipientes verticales, particularmente si se utilizan como reactores, el espesor puede llegar a ser muy elevado, 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. Figura 05; Esquema del curvado de las chapas para la formación de virolas.

La unión de varias virolas forman la carcasa, de modo que la suma de las alturas de los cilindros obtenidos por las virolas sea la requerida para la carcasa.

Figura 06; Disposición de chapas para la formación de 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.



6



Cuando el diámetro de la carcasa es = 609 mm (24"), se utiliza, normalmente un tramo de tubería, este tipo de solución NO suele ser habitual,

por

ello,

consideraremos

los

diámetros superiores, en los que se utilizan de chapa de acero.

Figura 07; Soldadura de unión entre virolas.

Las chapas para los recipientes, se clasifican por 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. A partir de espesores mayores se debe recurrir al forjado del cilindro, esta solución también se aplica cuando el material en el que se realiza el recipiente, no tolera la soldadura. Figura 08; Carcasa y fondo forjado en una sola pieza.

Los extremos de las virolas presentan dos tipos de acabados, o preparación para soldar, como se ha indicado en la descripción de los recipientes horizontales, sea cual sea, el tipo de material: Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.


7



? 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 y con preparación.

02.2 Los cabezales y/o fondos. En el caso de los recipientes verticales presentan algunas particularidades respecto a los descritos con anterioridad para los recipientes horizontales, particularmente en lo relativo a los fondos cónicos siendo en todo lo demás semejantes a los delos citados recipientes horizontales, por lo que se remite a esa unidad la mayor parte de las explicaciones sobre estos elementos. 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, como suelen ser los reactores, por ello se emplean otros tipos de fondos curvados con diferentes perfiles. Los fondos se realizan a partir de chapa a la que mediante estampación se le da la forma deseada, generalmente abombada, como se ha indicado en otras unidades existe una gran diversidad de tipos entre ellos, y como excepción existen los fondos cónicos y planos, de reducida utilización.



8



Figura 10; Ejemplo de recipientes con cabezal plano.

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 11; 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.



9



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 tipos de fondos más usuales, se realiza a continuación: ?

Fondo semiesférico;

formado por media esfera soldada a la carcasa, la línea de

soldadura, se encuentra por encima de la línea de tangencia; otras características son: ¦ Su radio medio es idéntico al de la carcasa. ¦ El espesor requerido es ˜ 0,5 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 12; Detalle de empalme a carcasa y casquete semiesférico.

? Fondo elíptico ;

formados por una elipse de revolución, estos fondos, junto con los

policéntricos y los “pseudo elípticos” son los que con más frecuencia se usa en 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 13; Casquete de forma elíptica 2/1.



10



? Fondo “pseudo elíptico” y/o policéntrico; ambos

son figuras de revolución; su perfil

es la unión de 2 radios, con centros en puntos diferentes, los más utilizados son: ¦ El pseudoelíptico o “Korbbogen”, que tiene el mismo campo de uso que los elípticos cuyas dimensiones son: ? Radio mayor; R = 0,8 DE ? Radio menor; r = DE /6,5 ¦ El 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, DE el diámetro exterior de la carcasa cilíndrica.

Figura 14; Casquete policéntrico 10:1 “klopper” y “pseudo elíptico” 2:1.

Estos fondos se construyen mediante troquelado o embutición, se pueden construir de fondos desde 3,0 m (12’) hasta 5,0 m. (20’) de diámetro. El más utilizado en petroquímica es el elíptico 2/1; en menor proporción se emplean policéntricos y “pseudo elípticos”; en la tabla adjunta se ven sus características: 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

En los fondos hay 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 esté en una zona fuertemente solicitada por cargas locales de tipo radial y axial simultáneamente.



11



El cuello evita una discontinuidad y por lo tanto un punto débil en la estructura del recipiente, además de la diferencia de espesores en esa zona. Figura 15; Esquema de las fuerzas en la carcasa o envolvente.

Las cotas de los recipientes verticales, en sentido axial, o longitudinal, son referidas a las

líneas

de

tangencia

(teóricas) y no a las de soldadura. Figura 16; Situación de las líneas de tangencia y soldadura de unión del casquete con la envolvente en un recipiente cilíndrico.

Los fondos cónicos están

formados por un cono fabricado con chapa, y por su forma se

excluyen de los fondos denominados bombeados. Dependiendo de la unión con la carcasa se presentan dos formas de fondo: ? Con radio de acuerdo de cono a cilindro. ? Unión directa entre cono-carcasa

Figura 17; Situación de las líneas de tangencia y soldadura de unión de los casquetes cónicos con las envolventes en los recipientes cilíndricos.



12



Las características del fondo cónico, con radio de acuerdo o transición de cono a cilindro por medio de zona esférica tangente a ambos elementos; son: ¦ El valor del radio de acuerdo debe ser > 3 tres veces el espesor del cono o carcasa. ¦ Se prolonga el fondo con un borde cilíndrico de altura ˜ 25 mm, como en los fondos abombados, ¦ El valor del semiángulo puede ser cualquiera, pero no es recomendable utilizar mayores de 45º. Las características del fondo cónico de unión directa entre cono y carcasa, en el que la parte cónica esta soldada directamente a la parte cilíndrica, sin cuello recto o curvo, son: ¦ Ofrece menor resistencia a la presión. ¦ Su uso está limitado a fondos con valor del semiángulo inferior ß < 30º. ¦ Pese a lo anterior, no es recomendable utilizarlo para valores de ß > 20º. ¦ Conviene comprobar si es necesario reforzar la carcasa debido a la sobresolicitación a la que se somete el entorno de la línea de soldadura, y a la poca resistencia que esta zona ofrece a una posible ovalizaci6n. 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 pueden ser planos y esta solución resulta muy económica. Los cabezales o fondos planos se realizan mediante una chapa plana soldada directamente a la carcasa, pueden soldarse a los recipientes, o instalarse como bridas ciegas, su uso se restringe a recipientes de muy baja presión y diámetro pequeño, como se ha referido para los recipientes horizontales y en recipientes pequeños,

Figura 18; Tipos de soldadura de unión para recipientes con fondo plano.



13



Por lo general, las necesidades del proceso indican el cabezal que debe usarse en cada caso. Por ejemplo, en un depósito de decantación, el cabezal inferior debe ser cónico. En caso de poder escoger el tipo de cabezal, se escogerá el más económico de entre el hemisférico, cónico estándar y elipsoide. Como el espesor necesario para resistir una presión dada, se incrementa en el orden de hemisférico, elipsoide y cónico, el costo de su fabricación disminuye en el mismo orden. Aunque resulta difícil generalizar, puede afirmarse que el cabezal cónico estándar puede usarse con intervalo de presiones desde un valor bajo hasta valor moderado. Para presiones por encima de 200 PSI (14 kg/cm2) probablemente resulte más económico usar el 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.

02.3 La transición troncocónica. Cuando la carcasa está compuesta de varios cilindros de diverso diámetro es preciso incluir una figura de transición que normalmente es troncocónica. Las formas de la unión así, como las recomendaciones, suelen ser semejantes a las indicadas para los fondos cónicos; siendo válidas para las dos uniones, esto es, al cilindro de diámetro mayor y al cilindro de diámetro menor. El semiángulo de la zona troncocónica suele tener una inclinación de 15 a 45º (respecto a la vertical). En este caso, al igual que en los fondos, se recomienda utilizar las uniones con radio de acuerdo, aunque su coste es superior. Figura 19; Recipiente con virola troncocónica de unión entre zonas cilíndricas de distinto diámetro.



14



03 LOS APOYOS DEL RECIPIENTE. Como todo recipiente debe ser soportado, es decir, su carga debe ser transmitida, al suelo o mediante alguna estructura que las transmita al suelo, esta misión la cumplen los apoyos; estos elementos sirven para transmitir el peso del equipo y las cargas que obran sobre el mismo durante la operación a la cimentación, también transmitirán los esfuerzos provocados por la prueba hidráulica y recibirán 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. Las cargas a las que está sometido el recipiente; es decir las acciones que gravitan sobre el recipiente y como consecuencia sobre sus apoyos, para su transmisión a la cimentación mediante pernos de acero y tuercas, 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, de modo que: ? El apoyo de la carcasa. ? La cimentación o estructura sobre la que se apoye. ? Los pernos y tuercas de anclaje. Resistan todas y cada una de las posibles condiciones de solicitación. Para recipientes verticales hay diversas soluciones para su apoyo sobre la cimentación o estructura, como: ? Patas. ? Faldones cilíndricos o cónicos. ? Ménsulas para apoyo sobre estructuras. Las patas , en numero de 3 o 4 soldadas a la carcasa, suelen ser perfiles laminados PNL o PNU,

a veces se utilizan IPN, IPE o HEB, también se emplean tubos estructurales redondos, cuadrados o rectangulares.



15



Estos elementos pueden ser unidos directamente a la carcasa, o mediante placa o placas de refuerzo; la primera solución se utiliza cuando se usan carcasas de acero al carbono en recipientes ligeros, la segunda se emplea para carcasas de acero aleado, inoxidable, o con recipientes pesados, en esta ultima solución el material de la placa es igual que el de la carcasa para que las patas puedan ser de acero al carbono. Figura 20; Recipiente vertical sobre patas de apoyo.

Habitualmente las patas se usan en recipientes verticales con altura no superior a 5,0 m. y diámetro menor de 2,5 m. siempre que las fuerzas a transmitir a la cimentación no sean excesivas para esta solución, estas patas también son el apoyo habitual de los recipientes esféricos, en este caso su numero y características suelen ser acordes su tamaño. Los faldones cilíndricos o cónicos son

las soluciones constructivas adoptadas habitualmente

para el apoyo de las torres y columnas de fraccionamiento y de aquellos recipientes verticales que deben transmitir elevados esfuerzos a las cimentaciones. Este tipo de apoyo permite repartir la carga de un modo uniforme sobre el anillo de la base, evitando la concentración de esfuerzos sobre la envolvente y disminuyendo la presión transmitida a la cimentación. Los pernos de anclaje se colocan a lo largo del perímetro del contorno de apoyo. La distancia entre pernos se encuentra entre 400 y 600 mm, de acuerdo con el número de pernos y su diámetro, dicho nº debe ser múltiplo de 4. Figura 21; Recipiente vertical sobre faldón de apoyo.



16



Cuando la presión transmitida al terreno es grande o el nº de pernos no cabe en la circunferencia del faldón vertical, se recurre a un faldón cónico que aumenta el tamaño de la circunferencia. El diámetro medio del faldón suele coincidir con el diámetro medio de la carcasa para evitar la aparición de momentos debidos a una posible excentricidad. El semiángulo del tronco de cono no debe ser superior a 6º. El faldón debe disponer de una boca de hombre o un acceso de 24” o 600 mm de diámetro y unas ventilaciones para evitar la acumulación de gases en el interior. Figura 22; Recipiente vertical sobre faldón inclinado.

Las ménsulas son

utilizadas cuando el recipiente

vertical (u horizontal) va montado sobre una estructura de hormigón (o metálica). El nº de ménsulas utilizadas suelen ser 2, 4, 8 y difícilmente se supera esa cantidad, pero si fuese necesario, su número deberá ser múltiplo de 4. Figura 23; Recipiente vertical sobre ménsulas de apoyo.

La zona de unión de la ménsula con la virola suele reforzarse con una o más chapas de acero; los motivos para la colocación de son similar a los que se tienen en cuenta para las patas, es decir, pueden ser soldadas directamente a la carcasa o a una placa de refuerzo. Cuando los refuerzos son insuficientes se recurre a un anillo, para que los esfuerzos se transmitan a la envolvente de un modo uniforme.



17



04 LAS CONEXIONES, TUBULADURAS O TOBERAS. Los recipientes verticales, igual que los horizontales, utilizados en las plantas de proceso disponen de conexiones con bridas (toberas o tubuladuras) o roscadas, las cuales tienen funciones diferentes como por ejemplo: ? 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. ? Reserva, cerrada con brida ciega o tapón. Estas conexiones o toberas, se realizan mediante tubería de acero (pipe), o por tubuladuras realizadas en acero forjado. El material de la tubería o tubuladura debe ser adecuado o compatible con el de la virola y que esté de acuerdo con los códigos. El extremo de la tobera donde se conectara la tubería suele estar acabado mediante una brida soldada, tipo welding neck o slip-on; dentro de estas conexiones podemos considerar 2 tipos, como se ha indicado: ? Toberas, que se realizan con tubería de acero (pipe). ? Tubuladuras realizadas en acero forjado. Figura 24; Detalle de tobera con bridas W.N. y ciega.

Las conexiones destinadas a la instrumentación pueden tener sus extremos acabados mediante: ? Brida welding neck o slip-on. ? Rosca. ? Socket-weld. Figura 25; Detalle de tubuladura forjadas.



18



Una tubuladura o conexión puede estar constituida por un carrete de tubería, o una pieza forjada, soldada en cualquiera de los dos casos a la virola de la envolvente, de longitud suficiente para colocar su final más allá del aislamiento, provisto de una brida en el extremo. Se suele compensar el debilitamiento provocado por el agujero realizado en la virola, con 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. Cada Norma o Código, como DIN (alemana) BS (inglesa) MSS, API, ANSI, ASME (norteamericanas) impone unas limitaciones en el diámetro del refuerzo. Como dimensión aproximada se puede tomar el doble del diámetro de la tubuladura o tubería de conexión y como espesor el de la virola de la carcasa. Las tubuladuras de acero forjado se usan en casos de singular importancia.

Figura 26; Esquema para distribución de tubuladuras.

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. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.


19



Normalmente las conexiones o tubuladuras en el recipiente suelen protegerse mediante bridas ciegas o tapones en el caso de las conexiones roscadas, estas protecciones se retiran en el momento de la conexión excepto en el caso de las bocas de hombre y las tubuladuras de reserva. La orientación de las toberas de un recipiente influye enormemente sobre el trazado de tuberías. Para establecer la orientación óptima de las toberas de un recipiente, el diseñador de tuberías deberá poner a la contribución del éxito de ese trabajo, toda su experiencia y buen criterio.

05 LA CAPACIDAD DE LOS RECIPIENTES. Pese a que los recipientes verticales 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 verticales y su capacidad volumétrica, que nos permite realizar una estimación dimensional, de carácter aproximado. El espesor “S” de la tabla, 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. 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.



20





21



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, ya se han citado en el caso de los recipientes horizontales y como se ha indicado, 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). 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.



22


LOS RECIPIENTES VERTICALES. ? 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. Figura 27; Esquema para distribución de cargas por viento.

? 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 verticales, 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. Figura 28; Esquema para distribución de cargas sismicas.

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. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.


23


LOS RECIPIENTES VERTICALES. ? Tipo de material;

los mismos materiales que se han citado para los recipientes horizontales,

son utilizados en el caso de recipientes verticales. La elección del material a utilizar se realiza sobre la base de estos factores fundamentales: ¦ La temperatura y 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; Como se ha citado en los

recipientes horizontales, si

los fluidos son poco corrosivos, para compensar la perdida por corrosión que sufren los recipientes, estos equipos se diseñan con un sobreespesor en su envolvente conocido como, espesor de corrosión. Su valor es habitualmente igual al máximo espesor que se espera sea corroído en un plazo de diez años y suele oscilar entre 1 y 6 mm. ?

Espesor mínimo de pared

(emin ); por obligación de Norma, o Código, o transporte,

conviene fijar un valor mínimo para el espesor de la envolvente. Como se ha indicado en los recipientes horizontales, se adoptara el espesor no sea inferior al mayor de: ¦ e min = [(2,5 + De ) / 1000] + c mm. ¦ Las normas son menos exigentes con los espesores mínimos, siendo este valor, para la Norma ASME VIII, Div. 1, el siguiente; emin = 2,5 + c mm ¦ La norma alemana AD-Merkblatt, fijaba el valor: En esta última norma cuando c = 0: ¦ Para los aceros inoxidables, se admite el valor de:

emin = 2 + c mm. emin = 3 mm. emin = 2 mm.

? Eficiencia de la soldadura (E); como se ha referido en el caso de recipientes horizontales, la unión entre chapas se realiza soldadura, que supone una discontinuidad entre las chapas y que puede producir una intensificación local de las tensiones en el material, esto junto con la posibilidad de defectos en la realización de la soldadura y el calentamiento y enfriamiento al que está sometida la zona próxima a la soldadura, dan pie a considerar la zona de soldadura como debilitada; por ello, en el cálculo se introduce una reducción en la tensión máxima admisible, al multiplicar 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. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.


24



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; como en los recipientes horizontales, es necesario estudiar diferentes condiciones de carga, como las siguientes: ¦ 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. 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 ambos casos está compuesta por la presión interna del recipiente más la de la columna de líquido, se comparan 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;

como se ha dicho en el caso de los recipientes

horizontales, ambos 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 depende de las características del material y del coeficiente de seguridad que se adopte, variando con la temperatura de trabajo. Cada norma 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 25 % de la carga de rotura (R) a la temperatura ambiente (20º C) = R/4. ¦ El 62,5 % del limite elástico (Le) del material, o de la carga (y) que produce una deformación del 0,2 % a la temperatura de proyecto = ( 5 ? Le ) /8 = (5 ? 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. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.


25



¦ El 67 % de la carga de rotura (f r ) por alargamiento, en 100 000 horas, a la temperatura de proyecto = 2 ? 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.

07 LAS ECUACIONES PARA EL CÁLCULO DE LOS RECIPIENTES. Se han referido ya con anterioridad, cuando se vieron los recipientes horizontales, la simplificación de conceptos respecto a las bases teóricas de las ecuaciones para el diseño de recipientes de pared delgada, para determinar el espesor mínimo de la envolvente y de los cabezales, así como las limitaciones y fundamentos de estas ecuaciones, para evitar un mal diseño por el uso indebido de las mismas y de los gráficos para diseño rápido de recipientes.

El código 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 para el espesor Ø interior /10, en la mayoría de los recipientes usados en plantas de proceso, pero 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/cm 2) 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.

Figura 29; Esquema de fuerzas en la envolvente Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.


26



08 LOS ACCESORIOS INTERIORES DEL RECIPIENTE. Los recipientes pueden tener en su interior una variada gama de accesorios, cuya geometría y características dependerá del uso al que esté destinado el recipiente, dichos accesorios son necesarios para que puedan realizarse los procesos (cambios) físicos o químicos en los materiales que pasan por su interior.

Figura 30; Sección de torre con elementos internos y tubuladuras.



27



En el caso de las torres y recipientes verticales, podemos considerar: ? Platos y/o bandejas de burbujeo. ? Distribuidores. ? Rompetorbellinos. ? Rejillas o separadores de fase. ? Placas deflectoras. ? Agitadores. Los talleres de calderería que realizan el recipientes no suelen fabricar los accesorios interiores de los mismos ya que muchos de éstos son de diseño especial y requieren determinada técnica de alguna empresa particular; las bandejas, las tapas de burbujeo y las rejillas, representan un ejemplo típico de lo que debe ser comprado a una compañía especialista. Sin embargo, el fabricante de recipientes sí proporciona los soportes de estos accesorios. Platos y/o bandejas de burbujeo; son

la parte fundamental

de una torre de fraccionamiento. En la columna, de destilación hay vapores de hidrocarburos que pasan a través de los platos a borbotones, atraviesan el líquido de reflujo que desciende conducido por vertederos.

Figura 31; Funcionamiento de los platos de una torre.

Figura 32; Esquema de la posible disposición de los vertederos de los platos de una torre.



28



El numero de vertederos en cada plato o bandeja marca diferencias entre ellos, como puede verse en los dibujos anteriores, hay diversas soluciones para variar la cantidad de los vertederos. El interior del recipiente se diseña de tal modo que los platos puedan sacarse fácilmente de su interior, se suelen usar placas ligeras de acero aleado y se diseñan de modo que puedan ser divididos en componentes, los cuales puedan ser extraídos a través de las bocas de hombre, que suelen colocarse en los recipientes alineadas sobre la misma vertical, distanciadas en función de un determinado numero de platos, para facilitar el movimiento de los componentes de los platos durante el mantenimiento y la posible inspección interna. en el dibujo de la pagina siguiente puede verse una disposición típica moderno de una bandeja de burbujeo en la cual se muestran estructuras para soportarla y las uniones entre placas.

Figura 33; Descripción de las soluciones constructivas para los platos y el vertedero de una torre. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.


29



Debido a que se utilizan rejillas y/o placas perforadas, el soporte de las mismas no representa ningún problema por el poco peso de las bandejas. Los platos pueden ser autoportantes y entonces las diferentes secciones tienen una posición determinada para que constituyan sus propios armazones de sujeción y se apoyen en los soportes fijados interiormente a la envolvente de la columna. Las tolerancias de construcción y de montaje de las diferentes partes son muy estrechas para asegurar que los platos estén a la altura deseada y el nivel del líquido sea el requerido por el proceso. Existen numerosos tipos de platos, generalmente patentados por casas especializadas con dispositivos para regular el nivel y el paso del líquido. Los platos agujereados suelen tener los agujeros libres dispuestos con paso triangular, con los bordes ligeramente elevados.

Figura 34; Detalle de plato de columna, con agujeros perforados.

Los platos con válvulas tienen los agujeros cubiertos de este tipo de dispositivos, que pueden moverse verticalmente conservando la misma posición y asiento. Figura 35; Detalle de válvula para plato de torre.

Una variante de esta solución son los platos con campanas (o charolas) que consiste en que el plato esta provisto de una serie de “chimeneas” cada una de las cuales se encuentra cubierta por una campana atornillada a la chimenea. Actualmente se usan menos que en el pasado. Figura 36; Detalle de campana en plato de torre.



30



Figura 37; Distintos tipos de “chimeneas” en platos de torre.

Otra alternativa a los platos son los llamados “ paquetes rejilla” que sirven para separar de los gases las pequeñas gotitas de líquido que son transportadas en suspensión están constituidas por mallas de hilos metálicos muy finos entrelazados entre sí, o por una tela metálica, situadas en ambos casos entre platos oportunamente distanciados, fijados sobre anillos de soporte, en ocasiones las rejillas sirven de soporte al catalizador (reactores). En su dimensionado influyen el peso del material sostenido y la pérdida de carga del fluido.

Figura 38; Aspecto de una tela metálica y de un plato de rejilla en una torre.



31


LOS RECIPIENTES VERTICALES. Distribuidores; se

suelen realizan mediante tuberías, con la finalidad de conducir el producto

al que da entrada, hasta una determinada zona del recipiente.

Figura 39; Alzado y planta de ejemplos de distribuidor en una torre.

Los rompetorbellinos son

pie-

zas de chapa a las que se les da la forma conveniente para que la salida de los líquidos se realice sin torbellinos.

Figura 40; Ejemplo de rompetorbellinos en torre de destilación (fraccionamiento).



32



09 LOS ACCESORIOS EXTERIORES DEL RECIPIENTE. En los recipientes empleados en los procesos petroquímicos, puede encontrarse una amplia gama de accesorios exteriores a los equipos, cuyas características dependerán del uso al que esté destinado el recipiente.

Figura 41; Esquema de colocación de elementos externos y tubuladuras en recipiente vertical.



33



Señalando solo los más habituales podemos encontrarnos con: ? Brazo giratorio o pescante (Davit). ? Davit para boca de hombre. ? Placa de características. ? Soportes del aislamiento. ? Anclajes para la protección contra incendio. ? Ménsulas para escaleras y plataformas. ? Ménsulas para soportes de tuberías. Algunos de ellos pueden apreciarse en el esquema de la página precedente. El brazo giratorio o pescante (Davit); es

un elemento instalado en la cabeza de las columnas

o depósitos verticales, con el fin de poder elevar desde el suelo, a una plataforma cualquiera de un recipiente vertical, o viceversa mediante el auxilio de un cabrestante, objetos pesados, como los platos y válvulas, o el catalizador (en los reactores). El davit suele colocarse en cualquier torre que tenga más de 9 metros de altura (30' -0") y siempre y cuando dicha torre este dotada de elementos desmontables y que disponga de una "zona de descarga”, que es el área despejada que se encuentra en el lado de la torre opuesta a aquel en que esta la bandeja de tuberías, siendo sobre dicha zona de descarga, sobre la que actuara el pescante. Estos pescantes pueden girar alrededor de su eje vertical y se diseñaran de tal manera que la trayectoria seguida por el gancho o polea al girar el cabrestante pasa por encima de las plataformas que dan acceso a bocas de hombre, y también por encima de la zona de descarga. Figura 42; Ejemplo de davit en recipiente vertical.

Las torres de gran diámetro pueden estar dotadas de dos pescantes.



34



Otro tipo de Pescante o Davit, es el que se monta para poder manipular las bridas ciegas en la bocas de hombre; es un brazo fijado a la brida de la boca de hombre, que soporta la brida ciega cuando es necesario para el operario pasar dentro del equipo, o simplemente desea inspeccionar su interior desde el exterior, sin que sea preciso dejar la brida en el suelo.

Figura 43; Disposición de davits en bocas de hombre de recipientes.

Otra solución para la manipulación de la boca de hombre, es la colocación de una bisagra vertical, que permita la apertura de la brida ciega, hasta 135º, cuidando que su apertura no impida

la visión de los instrumentos.

Figura 44; Ejemplo de disposición de bisagra en boca de hombre de recipientes (alzado y planta). Placa de características; es

una placa fijada al equipo y sobre la cual son indicados los datos

del recipiente y los posibles marchamos (sellos) de los entes oficiales que han aprobado y verificado su construcción. Ménsulas (clips) para plataformas y escaleras;

cuando son necesarias escaleras y/o

plataformas de servicio sobre la envolvente, se colocan en ella unas ménsulas o escuadras para sostenerlas, también denominadas “clips”.



35



Figura 45; Ejemplo de disposición de clip para plataforma en (alzado).

Otro tipo de clips se emplean para el montaje de soporte de tuberías, ya que las tuberías conectadas a un recipiente vertical suelen ser muy pesadas y las toberas no están diseñadas para soportar tales pesos. Debido a esa circunstancia se prevén unos soportes fijados a los clips soldados en la envolvente del recipiente y tan cerca de las toberas como sea posible, para soportar el peso muerto de las tuberías y de las válvulas cuando se instalan estas últimas. Figura 46; Ejemplo de soporte de tubería en recipiente vertical.

Debajo de cada soporte de una tubería vertical conectada a una torre, hay una serie de guías, a intervalos muy amplios, para evitar que las tuberías oscilen y se desvíen de la vertical creando momentos en las toberas.



36



Figura 47; Ejemplo de disposición de clip para soporte de tubería vertical (plantas y alzados).

Las ménsulas (clips) para soportes de tuberías son necesarias, ya que si bien es frecuente que en las proximidades de los recipientes existan construcciones y estructuras desde las que pueden apoyarse las tuberías a través de soportes apropiados, una vez situadas las tuberías en la vertical de la torre o columna, estas tuberías deben ser apoyadas y guiadas a lo largo de dichos equipos debiendo soldarse al recipiente las ménsulas, escuadras o placas de refuerzo que se necesiten para esa finalidad, como se refleja en los dibujos precedentes y siguientes.

Figura 48; Ejemplo de disposición de clip para soporte de tubería vertical (planta y alzado).



37



Figura 49; Ejemplo de disposición de clip para soporte de tubería vertical (alzados).

El definir los soportes de las tuberías conectados a una torre es responsabilidad del diseñador de tuberías. Al mismo tiempo que realiza el trazado de tuberías de una torre deberá estudiar y definir los soportes para estas. Para fijar estos soportes el diseñador deberá situar las tuberías verticales en relación con el recipiente, que siempre dejara 1’-0" de espacio libre como mínimo entre la envolvente del recipiente y el diámetro exterior de la tubería. El tipo soporte y de guía que se usará en cada caso, para las tuberías, deberá estar de acuerdo con la especificación de proyecto y el departamento de stress. Soportes del aislamiento; cuando

se ha previsto un aislamiento térmico, éste se fija a la pared

exterior de la envolvente mediante anillos fijados a las virolas de chapa.

Figura 50; Sección esquemática de disposición del aislamiento.



38



Figura 51; Ejemplo de disposición de anillos para soporte de aislamiento. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.


39

Curso de tuberías para plantas de proceso - 0210 Recipientes Verticales

Recommend Documents