TRABAJO TEORICO NORMA ASME DISEÑO MECANICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
PRESENTADO A:
Profesor OMAR ARMANDO GÉLVEZ A.
PRESENTADO POR:
Hugo Alberto Acosta Pidiache
Ángel Efran Caballero Pérez Rafael Andrés Carrero Chaparro Félix Villamizar Morantes Camilo Andrés Sierra Gabriel de Jesús Suarez Núñez Roa Grupo D3 Subgrupo 4
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOMECANICAS FISICOMECANICAS INGENIERIA MECANICA TRANSFERENCIA DE CALOR APLICADA BUCARAMANGA 2010
TRABAJO TEORICO NORMA ASME DISEÑO MECANICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CASCO Y TUBOS 1. ¿PORQUE ¿PORQUE SE CREO CREO LA NECESI NECESIDAD DAD DE DESAR DESARROLLA ROLLAR R EL CÓDIGO CÓDIGO ASME? ASME? Desde los inicios de la industrialización, ASME y muchas otras organizaciones de desarrollo de normas han trabajado para satisfacer la cada vez mayor necesidad de normas normas en el mundo de hoy. A través de un proceso voluntari voluntario o de consenso, consenso, las normas de ASME son desarrolladas para proteger la salud y el bienestar del público. Además de desarrollar estas normas, ASME proporciona procesos de evaluaciones de conformidad que ayudan a garantizar que los fabricantes sean capaces de cumplir las normas relevantes y que el personal esté apropiadamente calificado. ASME publica sus normas, acredita a los usuarios de normas para garantizar que sean capaces de fabricar productos que cumplan con dichas normas, y proporciona sellos sellos que los fabric fabricant antes es autori autorizad zados os coloca colocan n en sus produc productos tos,, que indica indican n la certificación del fabricante de que un producto fue fabricado siguiendo una norma. A fin de 1700, sobresale el uso de calderas y la necesidad de proteger al personal de fallas catastróficas. Las calderas para generación de vapor con presiones mayores a la atmosférica. El descuido y la negligencia de los operadores, las fallas de diseño en las válvulas de seguridad, seguridad, inspec inspeccio ciones nes inadec inadecuad uadas as produc producen en muchas muchas fallas fallas y explosiones de calderas en los Estados Unidos y Europa. Europa. En junio de 1817, el comité del consejo de Filadelfia expone las explosiones de calderas de barcos. Este comité recomienda que se establezca un Instituto Legislador y se reglamenten las capacidades de presión, presión, Instalación adecuada a la válvula de alivio e inspección mensual. En 1911 1911,, debi debido do a la falt falta a de unif unifor ormi mida dad d para para la fabr fabric icac ació ión n de cald calder eras as,, los los fabricantes y usuarios de calderas y recipientes a presión recurrieron al consejo de la A.S.M.E., para corregir está situación. En respue respuesta sta a las necesi necesidad dades es obvias obvias de diseño diseño y estand estandari arizac zación ión,, numero numerosas sas sociedades fueron formadas entre 1911 y 1921, tales como la A.S.A. (Asociación Amer Americ ican ana a de Está Estánd ndar ares es)) ahor ahora a ANSI ANSI (Ins (Instititu tuto to Amer Americ ican ano o de Está Estánd ndar ares es Nacionales) el A.I.S.C. (Instituto Americano del Acero de Construcción) Construcción) y la A.W.S. (Sociedad Americana de Soldadura). Soldadura). Los Los códi código goss está estánd ndare aress fuer fueron on esta establ blec ecid idos os para para prop proporc orcio iona nar r métodos de fabricación, registros y reportar datos reportar datos de diseño.
Cronología de códigos y normas
Año 1884 1884
Evento Códi Código go de con condu duct cta a de las las pru prueb ebas as de de cald calder eras as a vap vapor or - Pri Prime merr códi código go de prueba de desempeño 1886-87 1886-87 Norma para el diámetro diámetro y dimension dimensiones es generales generales de tuberías tuberías y sus terminaciones enroscadas 1889-91 1889-91 Comité Comité para la creación de una comisión comisión federal para recomendar recomendar normas normas y una agencia para su mantenimiento 1890 1890 Crea Creaci ción ón de un un Comi Comité té de Mét Métod odos os Est Están ánda dare ress de Prue Prueba ba de Loc Locom omot otor oras as 1891-92 1891-92 Método para para realizar realizar pruebas de carga carga de motores de bombeo bombeo 1892 1892 Comité Comité formad formado o para para prepar preparar ar una Norma Norma propues propuesta ta para para dive diverge rgenci ncias as en en el el diámetro de bridas 1893 1893 Méto Método do está estánd ndar ar para para rea realiliza zarr prueb pruebas as de efi efici cien enci cia a de loco locomo moto tora rass 1899 1899 Norm Norma a para para div diver erge genc ncia iass en el el diám diámet etro ro de de brid bridas as 1899 1899 Crea Creaci ción ón de un un Comi Comité té de Nor Norma mass para para un Con Conju junt nto o Gener Generad ador or de de Cone Conexi xión ón Directa 1901-02 1901-02 1901-02 1901-02 1901 1901 1905 1905
Norma para las las uniones uniones de tubería tuberíass Norma propuesta propuesta para tamaños tamaños de roscas de tornillos tornillos mecánicos mecánicos Norm Norma a para para un conj conjun unto to gene genera rado dorr de de con conex exió ión n dir direc ecta ta Prop Propue uest stas as está estánd ndare aress para para torn tornilillo loss mecá mecáni nico coss
1911 1911 1913 1913 1914-15 1914-15 1915 1915
1919 1919 1919 1919
Crea Creacción ión de de un un com comit ité é par para a pro propo pone nerr un un Código para Calderas Nuev Nuevo o Com Comitité é par para a rev revis isar ar el Códi Código go para para Cald Calder eras as Primera Primera publicación publicación del Código Código para para Calderas Calderas Normas Normas para para la especi especific ficaci ación ón y constr construcc ucción ión de cald caldera erass y otro otross recip recipien ientes tes de contención en los cuales se contiene presión alta Norm Normas as para para plan planos os de ingen ngenie ierí ría a Códi Código go de norm normas as de segu seguri rida dad d par para a grú grúas as Códi Código go de de norm normas as de seg seguri urida dad d para para esc escal aler eras as indu indust stri rial ales es Se form formó ó el Comi Comité té Esta Estado doun unid iden ense se de Nor Norma mass de Inge Ingeni nierí ería a (que (que lueg luego o se conocerá como ANSI) Norm Normas as de des desempe empeño ño de carbu arbura rado dore ress Form Formul ulac ació ión n del del Com Comitité é sob sobre re Cód Códig igos os de de Prue Prueba ba de de Ener Energí gía a
1921 1921 1922 1922 1922 1922 1923 1923
Se emit emitió ió el prim primer er códi código go para para asce ascens nsor ores es Códi Código go para para el reemp reempla lazo zo de comp compres resor ores es y sopl soplad ador ores es Códi Código go de de prue prueba ba par para a plan planta tass de energ energía ía hid hidrá rául ulic ica a y sus sus equi equipo poss Códi Código go de de prue prueba ba par para a loco locomo moto tora rass (pre (prelilimi mina nar) r)
1915 1915 1916 1916 1917 1917 1918 1918
1923 1923 1924 1924 1925 1925 1926 1926 1926 1926 1927 1927 1928 1928 1928 1928 1929 1929 1930 1930 1931 1931 1931 1931 1933 1933 1939 1939 1946 1946 1946 1946 1947 1947 1947 1947 1948 1948 1949 1949 1949 1949
Códi Código go de prue prueba ba para para moto motores res de comb combus ustitión ón inte intern rna a Códi Código goss de ASM ASME E para para rec recip ipie ient ntes es a pres presió ión n no exp expue uest stos os al al fueg fuego o ASME ASME pub publilica ca dos dos norm normas as del del Com Comitité é Esta Estado doun unid iden ense se de Nor Norma mass para para Ingenieros - Ejes de máquinas y ejes de transmisión Norm Norma a prop propue uest sta a para para eng engra rana naje je cil cilín índr dric ico o en for forma ma de de dien diente tess Norma Norma tent tentati ativa va esta estadou dounid nidens ense e para para brida bridass de tuberí tuberías as y ajuste ajustess con con brida bridass de acero Norm Normas as tent tentat ativ ivas as para para per perno noss de cabe cabeza za red redon onda da sin sin ran ranur ura a Comi Comité té de Nor Norma mass para para Brid Bridas as For Forja jada dass Integ Integra ralm lmen ente te para para Uni Unida dades des Hidroeléctricas Comité Comité Estado Estadouni uniden dense se de de Norm Normas as Nacion Nacionales ales reorga reorganiz nizado ado como como Asoc Asociac iación ión Estadounidense de Normas (conocida como el Instituto Nacional Estadounidense de Normas, ANSI, desde 1969) Códi Código go de de pru prueb eba a par para a com combu bust stib ible less líq líqui uido doss Códi Código go de pru prueb eba a comp comple leta tass de plan planta tass de energ energía ía a vapo vaporr-el eléc éctr tric icas as Norma Norma propues propuesta ta por ASME ASME para para bridas bridas forjad forjadas as integr integralm alment ente e para para unidad unidades es hidroeléctricas Código Código estado estadouni uniden dense se de seguri seguridad dad de normas normas para para ascens ascensore ores, s, segund segunda a revisión Nuevas Nuevas normas normas para para mater material iales es de de engra engranaj naje e y tapas tapas ciegas ciegas,, ejes ejes y llav llaves es Norm Normas as para para gene genera rado dore ress de de tur turbi bin na Inte Interp rpret retac acio ione ness de los los cód códig igos os de de segu seguri rida dad d para para asce ascens nsor ores es Modi Modififica caci cion ones es apro aproba bada dass por el el códi código go de seg seguri urida dad d para para asce ascens nsore oress Se form formó ó la Orga Organi niza zaci ción ón Inte Intern rnac acio iona nall para para la Norm Normal aliz izac ació ión n (ISO) (ISO) La ISO ISO adop adopta ta la la prim primer era a norm norma a - Ros Rosca cass de de torn tornilillo loss (ASM (ASME) E) Se inco incorp rpora ora la la Asoc Asocia iaci ción ón Esta Estado doun unid iden ense se de Nor Norma mass (ahor (ahora a ANSI ANSI)) ASME ASME y la la Asoci Asociac ación ión Est Estad adou ouni nide dens nse e de Salu Salud d Públi Pública ca llam llaman an a un Cód Códig igo o Nacional Unificado de Plomería (en la actualidad, existen cinco códigos diferentes) Revi Revisi sión ón prop propue uest sta a para para el el códi código go de de segu seguri rida dad d para para asce ascens nsor ores es
1956 1956
Comité Comité establ estableci ecido do para para el código código de reci recipie piente ntess a presió presión n de ASME ASME para para la edad nuclear
1963 1963
Secció Sección n III III propu propuest esta a (ener (energía gía nuclea nuclear) r) del del Comi Comité té de de Calde Calderas ras y Reci Recipien pientes tes a Presión de ASME Código Código de prueba prueba de desemp desempeño eño propue propuesto sto para para el el comb combust ustibl ible e del del reacto reactor r nuclear Primer Primera a tuber tubería ía envi enviada ada que es certif certifica icada da por por una compañ compañía ía acre acredit ditada ada según según el Código de tuberías de energía nuclear La ISO ISO adopta adopta puntos puntos de clas clasifi ificac cación ión unifor uniformes mes a nivel nivel mundia mundiall para para turbi turbinas nas de gas que usan el Código de prueba de desempeño de turbinas de gas de ASME
1968 1968 1969 1969 1969 1969
1972 1972
ASME ASME ampl amplió ió su su progr programa ama de acre acredit ditaci ación ón de de Amér América ica del Norte Norte al al rest resto o del del mundo
1983 1983
Código Código para para Cald Caldera erass y Recipi Recipient entes es a Presió Presión n de ASME ASME publ publica icado do en en unid unidade adess convencionales y métricas ASME comenzó con los programas de acreditación para los institutos de certificación de inspectores de ascensores Códi Código go par para a Cald Calder eras as y Reci Recipi pien ente tess a Vap Vapor or pub publilica cado do en en CD-R CD-ROM OM
1986 1989 1989 1991 1991 1993 1993 1996 1996
Crit Criteri erios os y exám exámen enes es val valid idad ados os comp comple leto toss de ASME ASME para para oper operad ador ores es de de instalaciones de recursos de certificación ASME ASME es es reco reconoc nocido ido por certif certifica icador dores es nacion nacionale aless e intern internaci acional onales es como como registro de ISO 9000 ASME ASME creó creó progra programas mas de certif certifica icació ción n para para operad operadore oress de de inst instala alacio ciones nes de recuperación de recursos e incineradores de desechos peligrosos
2. ¿QUÉ ¿QUÉ SECCIO SECCIONES NES CUBR CUBRE E EL CÓDI CÓDIGO GO ASME? ASME? Sección I Calderas de Potencia Sección II Especificación de Materiales Sección III Requisitos generales para División 1 y División 2 Sección IV Calderas para Calefacción Sección V Pruebas no Destructivas Sección VI Reglas y Recomendaciones para el cuidado y operación de Las Calderas de Calefacción Sección VII Guía y recomendaciones para el cuidado de Calderas de Potencia Sección VIII Recipientes a Presión Sección IX Calificación de Soldadura Sección X Recipientes a Presión de Plástico reforzado en fibra de Vidrio Sección XI Reglas para Inspección en servicio de Plantas Nucleares
3. ¿QUE SECCIÓN ESPECIFICA SE UTILIZA PARA INTERCAMBIADORES INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CASCO Y TUBOS?
EL DISEÑO DE
Para el diseño de intercambiadores de calor de castos y tubos en el código ASME utilizamos: ASME SECCIÓN VIII RECIPIENTES A PRESIÓN Adicionalmente se pueden tener en cuenta en el diseño las siguientes: SECCIÓN II MATERIALES SECCIÓN V PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS SECCIÓN IX CALIFICACIÓN DE SOLDADURA
4. ¿QUE DIFER DIFERENCIA ENCIA HAY HAY ENTRE ENTRE LAS REGLAM REGLAMENTA ENTACION CIONES ES DE LA SECCIÓN SECCIÓN VIII DEL CÓDIGO ASME DADAS EN LA DIVISIÓN 1 Y LAS DADAS EN LA DIVISIÓN 2?
Division 1 –Basic Pressure Vessels (Maintenance/Enhancements) Division 2 –Engineered Pressure Vessels (New Code)
DIVISIÓN 1 Es un comp compen endi dio o de norm normas as de dise diseño ño para para las las part partes es cons constititu tutitiva vass de los los reci recipi pien ente tess some sometitido doss a pres presió ión, n, las las cual cuales es está están n basa basada dass en la teor teoría ía de membrana. Las fórmulas mandatorias que determinan los espesores en todas las partes sujetas a presión, obedecen a los esfuerzos directos permisibles, basados en 1/4 de Ft (Esfuerzo último a la tensión). Los criterios anteriores, se contemplan para equipos, cuya presión no exceda 3,000 Lb/pulg2.
DIVISIÓN 2 Esta Esta divi divisi sión ón cubre cubre sola solame ment nte e a los los reci recipi pien ente tess que que son son inst instal alad ados os en una una localización determinada y para un servicio específico, donde exista un estricto control de los materiales, operación, construcción y mantenimiento. En relación a la División 1, ésta es más restrictiva en la selección de los materiales y aunque el valor de la intensidad de los esfuerzos permisibles, se basa en 1/3 de Ft, exige una evaluación de esfuerzos en todos los elementos que constituyen el equipo, siendo aplicable esta División para aquellos cuya presión es 3,000 Lb/pulg2 o mayor.
LIMITACIONES DE LA DIVISIÓN 1 • • •
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La presión deberá ser menor a 3000 psi. Calentadores tubulares sujetos a fuego. Recipient Recipientes es a presión presión que son parte integral de componentes componentes de sistemas de tubería. Sistemas de tuberías. Componentes de tubería. Recipientes para menos de 454.3 litros (120 galones) de capacidad de agua, agua, que utilizan aire como elemento originador de presión. Tanques que suministran agua caliente bajo las siguientes características: Suministro de calor no calor no mayor de 58,600 W (200,000 Btu/h) Temperatura del agua de 99° c (210°f). Capacidad de 454.3 lt (120 galones). Recipientes sujetos a presión interna o externa menor de 1.0055 Kg./cm² (15psi). Recipientes que no excedan de 15.2 cm (6 pulg) de diámetro.
1. ¿CUAN ¿CUANTAS TAS SUB SUBSEC SECCIO CIONES NES Y APÉN APÉNDIC DICES ES TIENE TIENE LA LA SECCIÓ SECCIÓN N VIII VIII DEL CÓDIGO ASME Y DE QUE TRATA TRATA EN GENERAL CADA CADA UNA? DIVISIÓN 1 a) Subsec Subsecció ción n A. Parte Parte UG que cubre cubre los requeri requerimie miento ntoss general generales es como como
exámenes y pruebas, fabricación, entre otros para el diseño de todos los recipientes a presión. b) Subsección B. Requerimientos de fabricación
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✔
✔
Parte Parte UW.UW.- Para Para recipi recipient entes es que serán serán fabric fabricado adoss por soldad soldadura ura,, refuerzos y factores de eficiencia. Parte UF.- Para recipientes que serán fabricados por forjado Parte UB.- Para recipientes que serán fabricados utilizando un material de relleno no ferroso a este proceso se le denomina "brazing"
a) Subsección C. Requerimientos de materiales
Parte UCS.- Para recipientes construidos con con acero al carbón y de baja aleación. Parte UNF.- Para los construidos con materiales no ferrosos. ✔ Parte UCI.- Para los construidos con fierro fundido. ✔ Parte UCL.- Para los construidos con una placa "clad" integral o con ✔ recubrimiento tipo "lining". Parte UCD.- Para los construidos con fierro fundido dúctil. ✔ Parte UNT.- Para los construidos con aceros ferriticos con propiedades ✔ de tensión mejoradas por tratamiento térmico. Parte ULW.- Para los fabricados por el método de multicanas. ✔ Parte Parte ULT. ULT.-- Para Para los los cons constr trui uido doss con con mate materi rial ales es con con esfu esfuerz erzos os ✔ permisibles mas altos a bajas temperaturas. ASME Sección VIII, Div. 2, Apéndice 4 ASME Sección VIII, Div. 2, Apéndice 5 ASME Sección VIII, Div. 2, Articulo 4-9 Esfuerzos en placas tubulares ASME Sección VIII, Div. 1, Apéndice 2 ASME Sección VIII, Div. 1, Apéndice BFJ (propuesto) ASME Sección VIII, Div. 1, Apéndice A Cálculo de esfuerzos en Tubos y Placa Tubular ✔
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1. DEFINA DEFINA Y EJEMP EJEMPLAR LARICE ICE LOS LOS SIGUI SIGUIENT ENTES ES CONCEP CONCEPTOS TOS RESPEC RESPECTO TO A LA PRESIÓN Que es presión de operación de un recipiente Es identificada como la presión de trabajo y es la presión manométrica a la que esta sometido el equipo en condiciones de operación normal. Tamb Tambié ién n cono conoci cida da como como pres presió ión n de trab trabaj ajo. o. Se defi define ne como como la pres presió ión n manométrica a la cual está sometido un equipo en condiciones normales de operación. Debemos tener presente que en el caso de los cambiadores de calor, se manejan dos presiones de operación, una por el lado de tubos y la otra por el lado de la coraza. Que es presión máxima de operación Es la presión máxima para la cual un equipo fue diseñado y construido, de acuerdo a los principios establecidos por ASME. Se establece un margen de seguridad entre la presión de diseño y la presión de trabajo máxima permisible, Que es presión de diseño y como se calcula Es el valor de la presión que se considera durante durante el diseño diseño de los elementos elementos de los equipos a presión.
Se define como la presión que será utilizada en el diseño del cambiador de calor. Para servicios a “vacío” se debe especificar una presión externa de diseño de 15 Lb / Pu lg2 (vacío total). Para una presión de operación arriba de la atmosférica, la presión de diseño será: Pd = Po + 30Lb / pu lg2 Pd = 1,1Po
ó
si Po ≤ 300Lb / pu lg2 si Po > 300Lb / pu lg2
Que es presión de prueba Prueba a que deben ser sometidos los equipos a presión. Es una prueba de hermeticidad y resistencia. Se realiza por medio de una bomba manual de presión de agua. Los equipos a presión son probados hidrostáticamente a 1.5 veces la presión máxima de trabajo permisible. Normalmente conocida como presión hidrostática de prueba, la cual es llevada cabo una vez que ha sido fabricado el cambiador de calor, fundamentalmente consiste en el llenado del equipo con agua, al mismo tiempo que se le somete a presión, su valor se cuantificará por medio de la siguiente ecuación: Pp = 1.5Pd (Sta / Std ) Donde: Sta = Esfuerzo a la tensión del material a la temperatura ambiente Std = Esfuerzo a la tensión del material a la temperatura de diseño •
Que significa el concepto RATING de presión. Para que elementos de un recipiente a presión se utiliza principalmente y anexe tablas de rating Las clases de presión ( pressure classes o rating , en inglés) se expresan en libras por pulgada cuadrada ( lb / in2 o, simplemente, el símbolo #). una relación a partir de la cuál se puede obtener una curva según la resistencia al efecto conjunto presiónpresión-temperatura. temperatura.
1. ¿QUE SIGNIFICA LA CATEGORÍA DE UNA JUNTA SOLDADA Y COMO LA
MANEJA ESPECÍFICAMENTE EL CÓDIGO ASME SECCIÓN VIII? Define la ubicación de una junta en un recipiente, pero no el tipo de junta. Se especifican los requerimientos especiales al respecto a tipo de junta y grado de inspección para ciertas juntas soldadas sometidas a presión. Este tema se trata en la seccion VIII División 1 Parte UW: REQUERIMIEN REQUERIMIENTOS TOS PARA RECIPIENTES A PRESIÓN CONSTRUIDOS POR SOLDADURA Categoria Categoria A: Juntas soldadas longitudinales dentro de la envolvente principal,
cámaras, cámaras, comunicantes, comunicantes, transicio transiciones nes en diametro diametro o boquillas; boquillas; cualquier cualquier juntas soldada dentro de una esfera, dentro de una tapa, formada o plana o dentro de placas laterales de un recipiente de lados planos. Juntas soldads circuferen circuferenciale cialess dentro de la envolvente envolvente principal, principal, Categoria B: Juntas cámaras comunicantes, boquillas, o transiciones transiciones en diámetro que incluyen incluyen junas entre la transici transición ón y un cilindro ya sea en el extremo extremo grande o pequeño; pequeño; juntas sold soldad adas as circ circuf ufere erenc ncia iale less que que cone conect ctan an tapa tapass form formad adas as dife diferen rente tess de las las semiesfericas a envolventes principales, a transiciones en diámetro, con boquillas o cámaras comunicantes. juntas soldad soldadas as que conect conectan an bridas bridas,, trasla traslapes pes de Van Stone, Stone, Categoria Categoria C: juntas espejos de tupos o tapas planas con envolvente principal, con tapas formadas, con transiciones de diámetro, con boquillas o con cámaras comunicantes cualquier junta soldada que conecta una placa lateral con otra placa lateral de un recipiente de lados planos. Categoria D: Juntas soldadas que conectan cámaras comunicantes o boquillas
con envolventes principales, con esferas, con transiciones en diámetro, con tapas o con recipientes de lados planos y aquellas juntas que conectan boquillas con cámaras cominicantes (para boquillas en el extremo menor de una transicion en diámetro, vea categoria B)
FIG. UW-3 ILUSTRA ILUSTRA EL TIPO DE SOLDADURA SOLDADURA LOCAL Y LA CATEGORIA: A, B, C, AND D
2. Que tipos tipos de juntas juntas soldad soldadas as considera considera el el código código ASME ASME sección sección VIII VIII a. Tipos permisibles: los tipos e juntas soldadas permitidos en procesos de
soldadura soldadura con arco y gas se especifica especifican n junto con el espesor espesor limitante limitante de placa para cada tipo. Las juntas de tipo a tope sólo son permitidas con procesos de soldar por presión.
b. Juntas con solapa: para juntas con solapa, el recubrimiento superficial no
será menor de cuatro veces el espesor de la placa interna excepto como se estipula de otro modo para las tapas.
Juntas soldadas soldadas sujetas a esfuerzos esfuerzos de Flexión: Flexión: se agregarán soldaduras c. Juntas con filetes en donde sea necesario reducir concentración de esfuerzos. Las juntas de esquina, con soldaduras con filete solamente, no se utilizarán a menos que las placas que forman la esquina sean soportadas en forma apropiada independientemente de tales soldaduras. d. Ranuras Ranuras para soldar: soldar: Las Las dimensiones dimensiones y el el perfil perfil de las orillas orillas que se se van a unir unir será serán n de tal tal form forma a para para perm permititir ir fusi fusión ón comp comple leta ta y pene penetr trac ació ión n de junt junta a completa. e. Transiciones ahusadas: Una transición que tenga una longitud no menor que
tres veces el desbaste entre otras superficies adyacentes de secciones que termina una con otra, será provista en secciones que difieren en espesor por mas de un cuarto del espesor de la sección más delgada, ó por más de un octavo de pulgada, cualquiera que sea menor. La transición puede ser formada p por cualqu cualquier ier proces proceso o que provea provea un ahusam ahusamien iento to unifor uniforme. me. Cuando Cuando la transición es formadas por remoción de material de la sección más gruesa, el espesor mínimo de esa sección después de que el material es rebajado no será menor que aquel requerido.
1. ¿QUE QUE TIP TIPOS DE INSPE NSPEC CCIÓN IÓN SOBR OBRE LA CAL CALIDA IDAD DE SOLDADA, SE HACEN?
UNA JUN JUNTA
a. Radiografía Completa: de prueban radiográficamente en su longitud completa
a: ✔
✔
✔ ✔ ✔ ✔
Todas las soldaduras a topes en la envolvente y tapas de recipientes destinados para contener sustancias letales. Todas las soldaduras a topes en los recipientes con espesor superior a 1 ½ de pulgada, entre otras. Soldaduras de Categoria A Y B. Soldaduras de categoría B ó C Soldaduras a tope de Categoria A y D. Entre otras.
a. Radiografía de Puntos: las juntas soldadas a tope hechas de acuerdo con el
tipo 1 ó el tipo 2 de la tabla UW12, que no requieren ser radiografiadas completamente. b. Sin radiografía: no se requiere radiografía cuando el recipiente se diseña solo para presión externa o cuando el diseño cumple con la UW-12(C). c. Prueba ultrasónica: para las soldaduras en materiales ferriticos con cualquier paso paso sencil sencillo lo mayor mayor a 1 ½ de pulgad pulgada a y soldad soldadura urass de electr electroes oescor coria ia se
probara ultrasónicamente seguido de un tratamiento de refinación de grano (austenización) o tratamiento térmico posterior a la soldadura. Además de los requerimientos de a y b todas las soldaduras hechas por proceso de haz de electrones serán probadas ultrasónicamente por toda su longitud.
1. ¿QUE QUE SIGN IGNIFIC IFICA A EFIC EFICIE IEN NCIA DE UNA JUNT JUNTA A SOLD SOLDA ADA Y EN QUE QUE SUBSECCION Y PARÁGRAFO DEL CÓDIGO ASME SE ENCUENTRAN SUS VALORES? Se define como el grado de confiabilidad de las juntas soldadas en relación al grado de inspección y se establece como un porcentaje Se encuentran en la sección VIII División División I, la Parte UW: REQUERIMIENTOS REQUERIMIENTOS PARA RECIPIENTES RECIPIENTES A PRESIÓN CON ONS STRUIDOS POR SOLDADURA en el parágrafo UW12 EFICIENCIA DE JUNTAS (Tabla mostrada anteriormente). Tabla UW-12 da la E eficiencia conjunta para ser utilizados en las fórmulas de esta División para las articulaciones, completada con un proceso de gas o soldadura por arco. Salvo que alguna de UW-11 (una) (5), un conjunto de eficiencia depende sólo del tipo de conjunto y sobre el grado de exploración de la articulación y no depende del grado de examen de cualquier otra articulación. El Usuario o su designado agente [véase U-2 (a)] deberá establecer el tipo de unión y el grado de examen cuando las normas de esta División no establecer requisitos específicos. Reglas para la determinación de la aplicabilidad de las eficiencias se encuentran en los diferentes puntos que abarca fórmulas de diseño [por ejemplo, ver UG-24 (a) y UG-27]. Para mayor orientación, véase el Apéndice L .
2. HAGA UN RESUMEN RESUMEN DE DE LAS FORMUL FORMULAS AS ESPECIFI ESPECIFICADA CADAS S POR EL CÓDIGO CÓDIGO ASME SECCIÓN VIII VIII PARA EL CALCULO CALCULO DE ESPESORES DE LAS PARTES PARTES CILÍNDRICAS Y LAS HEADS (TAPAS FORMADAS) DE UNA RECIPIENTE A PRESIÓN POR PRESIÓN INTERNA El Código ASME VIII, Div. 1, establece las siguientes ecuaciones para el cálculo del espesor de un cascarón (head) esférico sujeto a presión interna (ASME UG-27)
t - Espesor mínimo requerido sin tolerancia a la corrosión, eligiendo el mayor de los resultados obtenidos, pulg. P - Presión de diseño en el interior de tubos, Lb/pulg2. R = Radio interior del casquete casquete en condiciones corroídas, corroídas, pulg. S - Esfuerzo máximo permitido del material empleado a la temperatura de diseño (ASME VIII, Subsección C), Lb/pulg2. E - Eficiencia de la junta soldada (ASME, UG-12) en %. C - Corrosión permisible (frecuentemente se considera 1/8" (3.2 mm) en acero al carbono) pulg.
CORAZAS (shells) SOMETIDAS A PRESIÓN INTERNA (UG-27) El espesor mínimo requerido por presión interna para un elemento cilíndrico, podrá determinarse por medio de las siguientes ecuaciones: a) En función del radio interior.
b) En función del radio exterior.
Siendo: T = Espesor mínimo requerido por presión, sin corrosión pulg. P = Presión interna de diseño, Lb/pulg2. R = Radio interior de la coraza en condiciones corroídas pulg. Ro = Radio exterior de la coraza, pulg. S = Esfuerzo máximo permisible del de l material a la temperatura de diseño, Lb/pulg2. E = Eficiencia de la junta soldada, % C = Corrosión permisible, pulg.
3. HAGA UN RESUMEN RESUMEN DE DE LAS FORMUL FORMULAS AS ESPECIFI ESPECIFICADA CADAS S POR EL CÓDIGO CÓDIGO ASME SECCIÓN VIII VIII PARA EL CALCULO CALCULO DE ESPESORES DE LAS PARTES PARTES CILÍNDRICAS Y LAS HEADS (TAPAS FORMADAS) DE UNA RECIPIENTE A PRESIÓN POR PRESIÓN EXTERNA El espesor mínimo requerido de un cascarón esférico bajo presión externa, ya sea sin costura o de construcción armada con juntas o tope, debe determinarse mediante el siguiente procedimiento: PASO 1. Suponga un valor inicial de “t” y calcule el valor del factor “A” empleando la ecuación siguiente
Donde: Ro – Radio exterior del cascarón en condiciones corroídas. t – Espesor supuesto PASO 2. Utilizando el valor de “A” calculado en el paso 1, entre a la gráfica correspondiente en el apéndice y del Código ASME SECCIÓN VIII, División 1 para el material bajo consideración (ver ejemplo Fig. III.15 para acero al carbono y baja aleación). Trace una línea imaginaria verticalmente hacia arriba hasta interceptar a la curva material / temperatura (utilice la temperatura de diseño). En casos donde el valor de “A” se localice a la izquierda de la curva material/temperatura, ver el paso 5.
PASO 3. De la intersección obtenida en el paso 2, trace una línea horizontal imaginaria hacia la derecha y lea el valor del factor “B”. PASO 4. Utilizando el factor “B”, calcule el valor de la presión externa máxima permisible “Pa” (Lb/pulg). Mediante la siguiente ecuación:
PASO 5. Para valores de” “A” localizados a la izquierda de la curva material/temperatura, el valor de “Pa” (Lb/pulg), puede calcularse por:
Donde: E = Módulo de elasticidad del material a la temperatura de diseño. PASO 6. Compare “Pa” obtenida en los paso 4 y 5 con “p” (presión de diseño lado coraza). Si Pa
Pa = Presión máxima permisible T = Espesor mínimo de pared El procedimiento para el cálculo del espesor de pared por presión externa es el siguiente: Para cilindros que tienen relaciones de Do/t > 10 (Ver Figura III.14). PASO 1. Considere un valor t y determine las relaciones L/Do y Do/t. PASO 2. Entrar a la Figura III.14 UGO-28.0 con el valor L/Do determinado en el primer paso. Para valores de L/Do mayores que 50, entrar a la misma gráfica g ráfica con un valor de L/Do = 50. PASO 3. Usando el valor de A, calculado en el paso anterior, entrar a la gráfica para el material y temperatura requeridos del mismo apéndice V, trace una línea perpendicular hacia arriba e intercepté la curva material temperatura a la temperatura de diseño. En caso de que el valor de A se localice a la izquierda de la curva antes mencionada, ver el paso 7. PASO 5. De la intersección obtenida en el paso 4, trazar una línea horizontal a la derecha y leer el valor de B. PASO 6. Usando este valor de B, calcular el valor de Pa, presión máxima admisible, empleando la siguiente fórmula:
PASO 7. Para valores de A que se localicen a la izquierda de la curva material – temperatura, el valor de Pa, puede calcularse mediante la expresión siguiente:
PASO 8. Comparar el valor calculado de Pa, obtenido en los pasos 6 y 7 con la presión de diseño externa. Si Pa ≥ P, el espesor “t” supuesto es el correcto; si Pa
4. HAGA UN RESUME RESUMEN N DE LAS FORMULAS FORMULAS ESPECIFICA ESPECIFICADAS DAS POR EL CÓDIGO CÓDIGO ASME ASME SECCIÓ SECCIÓN N VIII VIII Y EN QUE QUE APÉND APÉNDICE ICE SE ENC ENCUEN UENTRA TRAN N PARA PARA EL CALCULO DE JUNTAS BRIDADAS La Sección VIII del Código de Calderas y Recipientes de Presión de ASME, establece los criterios para el diseño de las bridas y sugiere los valores de “m” (factor de la junta de sellado) y “Y” (tensión mínima del asentamiento de la junta de sellado) tal como son aplicados para las juntas de sellado. Para la mayor parte, los valores definidos han probado tener éxito en las aplicaciones reales. Sin embargo, existe mucha confusión en relación con estos valores, principalmente debido a un malentendido sobre las definiciones de los términos y sus significados en las aplicaciones prácticas. El Apéndice II Obligatorio, en la Sección VIII del Código de Calderas, requiere que en el diseño de una conexión de brida unida con pernos, deberán ser realizados cálculos completos para dos conjuntos de condiciones separadas e independientes.
Condiciones de Operación La condición uno (1) requiere que sea determinada una carga mínima de acuerdo con la ecuación siguiente:
Esta ecuación establece la carga del perno mínima requerida para las condiciones de operación, y es la suma de la fuerza hidrostática del extremo, más una carga residual de la junta de sellado sobre el área de contacto multiplicada por un factor multiplicada por la presión interna. Expresado de otra manera, esta ecuación requiere requie re que la carga mínima mínima del perno sea de tal forma que ésta mantendrá mantendrá una carga compresiva unitaria residual sobre el área de la junta de sellado que es mayor que la presión interna cuando la carga total es reducida por medio de la fuerza hidrostática del extremo.
Asentamiento de la Junta de Sellado Se determina una carga mínima del perno para asentar la junta de sellado sin importar la presión interna y utiliza una fórmula:
El término “b” en esta fórmula fórmula está definido como el ancho efectivo de la junta de sellado y el término “Y” está definido como la tensión de asentamiento mínima en psi. La Sección VIII del Código de Calderas sugiere un valor de “Y” mínimo para una junta de sellado enrollada en espiral de 10,000 psi. Estos valores de diseño son sugeridos y no son obligatorios. El término “b” está definido como:
b = bo cuando bo ±1/4" b = 0.5 bo cuando bo > 1/4" Después de que Wm1 y Wm2 sean determinados, el área del perno mínima requerida Am es determinada de la manera siguiente: Am2 = Wm2 en dónde Sb es la tensión permisible del perno a la temperatura de operación, y Sb. Am2 Am 2 = Wm Wm2 2 en dó dónd nde e Sa es la te tens nsió ión n pe perm rmis isib ible le de dell pe pern rno o a la pr pres esió ión n atmosférica, Sa. Entonc Ento nces es Am es ig igua uall al té térm rmin ino o ma mayo yorr de Am Am1 1 ó Am Am2. 2. Lo Loss pern pernos os so son n seleccionados posteriormente de tal manera que el área del perno real, Ab, es igual o mayor que Am. En este punto, es importante realizar que la junta de sellado tiene que ser capaz de transportar la fuerza
Tensión “Y” del Asentamiento de la Junta de Sellado Definida como la tensión aplicada requerida para asentar a la junta de sellado sobre las caras de la brida. La tensión de asentamiento requerida real es una función del acabado de la superficie de la brida, de los materiales de la junta de sellado, de la densidad, del espesor, de los fluidos que serán sellados y de la tasa de escape permisible.
Que tipo generales de juntas bridadas considera el código
Como se caracteriza un empaque desde el punto de vista de su comportamiento, que significa el esfuerzo de deformación y el factor de un empaque. Muestre la tabla del código donde se encuentran Los empaques llamados enchaquetados, deben tener buena plasticidad para que al ser comprimidos, puedan deformarse y fluir hasta llenar todos los huecos existentes en las caras de asentamiento, evitando así cualquier fuga. El metal que recubre el asbesto deberá seleccionarse para resistir el ataque corrosivo del fluido que se maneja, por lo que, generalmente se adopta un metal igual o de las mismas características electroquímicas que las de los elementos en que se asienta, para evitar que se genere la corrosión galvánica Son los elementos que impiden las fugas en las uniones entre bridas. Están caracterizados por dos constantes:
y : Esfuerzo de deformación. m : Factor de empaque. que dependen del material y la forma del empaque; se usan para los cálculos de las condiciones de asentamiento y operación.
Como se caracteriza geométricamente un empaque. Como se calcula el ancho efectivo del empaque
Como se calcula la fuerza con que se debe apretar una junta bridada En la condición de operación: La carga requerida en el perno Wm1 deberá se tal que después de aplicar la presión hidrostática P, el empaque quede sometido a una presión remanente mínima 2mP.
Wm 1
H + Hp
=
π
=
4
G 2 P +2bπ GmP
m= Constantes por el material y forma. b = Ancho de asentamiento efectivo. En la condición de asentamiento: Para que un empaque funcione adecuadamente debe someterse a una presión de deformación mínima y (psi) que le permita adaptarse a la rugosidad de la cara de la brida. W m
2
b
G y
= π
Para pares de bridas utilizados en intercambiadores de calor o aplicaciones similares donde las bridas y/o empaques no son iguales; Wm2 será el más alto de los valores obtenidos en las 2 fórmulas anteriores, calculadas individualmente para cada brida y empaque.
Que materiales son comúnmente usados para la construcción de las bridas y los pernos de las bridas Los materiales usados normalmente son (según designación ASME): •
•
SA-A105: Especificación de Acero al Carbono de forja empleada en sistemas de tuberías SA-A SA-A26 266: 6: Espe Especi cififica caci ción ón de Acer Acero o al Carb Carbon ono o de forj forja a para para elementos dentro de caldera y recipientes a presión. []
•
•
SA-A18 SA-A182: 2: Especi Especific ficaci ación ón para forja de bridas bridas de acero acero de baja baja aleación para tuberías en servicios de alta temperatura.
Como se calcula el diámetro y el número de los tornillos de una junta bridada. Que cuidado se debe tener en la sección del diámetro de los tornillos para obtener el mínimo diámetro del circulo de tornillos. DETERMINACION DEL AREA APERNADA:
Ab
Donde:
=
Wm 1 Sb
ó
Wm 2 Sa
Sb= esfuerzo admisible en el perno a la temperatura de operación. Sa= esfuerzo admisible en el perno a la temperatura ambiente. Se trabaja con el Ab que dé mayor DETERMINACION DEL NUMERO DE PERNOS: Nper
=
Ab Ab Ai Ai
Donde: Ai= Area de raíz del perno DETERMINACION DEL CIRCULO DE PERNOS: C 1
B
=
2 +
C 2
g 1
≅
2 +
R
Nper
Espacio
∗
mínimo
entre pernos
π
El diseño es óptimo cuando los dos valores sean aproximadamente iguale.
•
En el caso en que la separación circunferencial de los tornillos exceda sustancialmente el mínimo valor aceptado como afecta esto al diseño de la brida. Hay un error de tolerancia que va afectar originalmente el montaje.
•
Qué criterio toma el código para la distribución de las fuerzas que afectan el diseño de una junta bridada tipo integral y una tipo suelto. Dibuje la distribución de las fuerzas Las bridas integrales son empleadas preferentemente a cualquier otro tipo de bridas, por la transición de esfuerzos que proporcionan en su extensión o cuello, ya que cualquier cambio brusco en la geometría del cuerpo del cambiador, ocasiona concentraciones de esfuerzos, como ocurriría al instalar bridas tipo anillo
Brida tipo Integral
Brida tipo Suelto
Como se calcula el momento para el diseño de las bridas Las múltiples cargas axiales en la brida producen momentos flectores. El brazo de acción de estos momentos es determinado por la posición relativa del círculo de pernos con respecto a la posición de la carga que produce el momento. Bridas tipo Integral: En las condiciones de operación, los momentos se calculan así:
CARGA
BRAZO DE PALANCA
MOMENTOS
HD=0.7854B2P
hD=R+g1/2
MD=HDhD
H T=H-HD
h T=(R+g1+hG)/2
M T=H Th T
HG=W-H
hG=(C-G)/2
MG=HGhG
Así que el momento total en la condición de operación será: M O
M D
=
M T
+
M G
+
Para el momento en la condición de asentamiento se usa:
M A
•
W
=
(C −G ) 2
Bridas tipo Suelto: La fuerza HD se considera que actúa en el diámetro interno de la brida y la carga del empaque en la línea central de su cara. CARGA
BRAZO DE PALANCA
MOMENTOS
HD=0.7854B2P
hD=(C-B)/2
MD=HDhD
H T=H-HD
h T=(hD+ hG)/2
M T=H Th T
HG=W-H
hG=(C-G)/2
MG=HGhG
Las ecuaciones del momento de operación y el de asentamiento son iguales a las del tipo Integral. Las bridas tipo opcional tienen los mismos brazos de palanca cuando se diseñan como tipo suelto. Sin embargo, en el caso de la brida lap-joint, el brazo de palanca hT y hG se consideran iguales y la fórmula que los rige es la de h G.
Que Que fact factor ores es ge geom ométr étric icos os se ap apli lica can n pa para ra la de deter termi mina naci ción ón de dell espesor de una brida integral Factores geométricos involucrados en el cálculo de esfuerzos sobre las bridas: A: Diámetro externo de la brida B: Diámetro interno de la brida h: Longitud del cuerpo o cubo
•
Que esfuerzos se consideran como críticos para la determinación del espesor de una brida tipo integral Los esfuerzos en la brida deben ser determinados para la condición de operación y asentamiento; En los cálculos se utiliza un momento modificado MFA o M FO para tener en cuenta un mayor valor de la separación mínima entre pernos. El momento modificado que se introduce en las fórmulas de esfuerzos se halla con las siguientes relaciones:
Para la condición de operación M FO
Para la condición de asentamiento asentamiento
=
M O ∗C f B
M FA
=
M A ∗C f B
BRIDAS TIPO INTEGRAL:
•
Los esfuerzos en las bridas de este tipo se calculan de la siguiente forma: Esfuerzo longitudinal S H
Esfuerzo radial:
=
f ∗ M FO λ ∗ g 1
S R
=
S T
=
2
β ∗M FO λ ∗t 2
Esfuerzo tangencial Y ∗M FO t 2
Z ∗S R
−
El factor f es utilizado cuando se calculan bridas de espesor variable en el cuerpo; para bridas de espesor uniforme este valor es 1.