UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA PRACTICA PROFESIONAL
REDISEÑO DE LA LÍNEA 200-STL-38-749-K, PERTENECIENTE AL ÁREA 38 DE CVG BAUXILUM, MEDIANTE UN ANÁLISIS DE ESFUERZOS.
AUTOR: CARREÑO, PEDRO C.I. 16393736
CIUDAD GUAYANA, MARZO DEL 2009
REDISEÑO DE LA LÍNEA 200-STL-38-749-K, PERTENECIENTE AL ÁREA 38 DE CVG BAUXILUM, MEDIANTE UN ANÁLISIS DE ESFUERZOS.
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA PRACTICA PROFESIONAL
REDISEÑO DE LA LÍNEA 200-STL-38-749-K, PERTENECIENTE AL ÁREA 38 DE CVG BAUXILUM, MEDIANTE UN ANÁLISIS DE ESFUERZOS.
AUTOR: CARREÑO, PEDRO C.I. 16393736
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Tutor Industrial Ing. Carlos Arroyo
Tutor Académico Ing. Elías Malave
CIUDAD GUAYANA, MARZO DEL 2009
ÍNDICE PAG. DEDICATORIA………......…………………………………….….……………….... i AGRADECIMIENTOS………………………………………..……………...……... ii RESUMEN……………………………….…………………………………..….…...iii INTRODUCCIÓN………………………….………………….…………………….. 1
CAPITULO I, EL PROBLEMA 1.1 Planteamiento del problema……………………………………………………….3 1.2 Objetivos…………...…………………….………………….…………………….5 1.3 Alcance.…………………………………………………………………………...6 1.4 Delimitaciones…………………………………………………………………….7 1.5 Limitaciones………………………………………………………………………7 1.6 Justificación……………………………………………………………………….7
CAPITULO II, MARCO TEÓRICO 2.1 Generalidades de CVG Bauxilum………...……………………….………………9 2.1.1. Reseña histórica……………………………….….…………………....9 2.1.2. Ubicación geográfica………………………………..…………….….10 2.1.3. CVG Bauxilum………………….……………………..……………..10 2.1.4. Objetivos……………………………………………….……...............11 2.1.5. Misión………………………...…………………………..…………...11 2.1.6. Visión……………………………………………………....................12 2.1.7. Política de la calidad, ambiente y seguridad……………………...…...12 2.1.8. Organigrama de Bauxilum…………………………………………….13 2.2. Gerencia de Proyecto e Ingeniería……………………………………………...14 2.2.1. Objetivos de la calidad……………………………………..................14 2.2.2. Indicadores de gestión………………………………………………...14 2.2.3. Organigrama estructural………………………………………………15 2.3. Extracción y Transporte de la bauxita...………………………………………...15
2.4. Proceso Bayer…………………………………………………...……………...16 2.4.1 Manejo de materiales………………………………………………….16 2.4.1. Lado rojo.……………………………………...……………………...17 2.4.2. Lado blanco.………………………...………………………………...18 2.5. Área 38…………………...……………………………………………………..20 2.6. Flexibilidad en tuberías ………............................................................................20 2.6.1. Sistema de Tuberías Simple…………………………………………...20 2.6.2. Esfuerzos por Presión (Hoop)…………………………………………21 2.6.3. Esfuerzos por cargas sostenidas (Gravedad)……………………….…22 2.6.4. Esfuerzos por cargas de expansión……………………………………26 2.7. Análisis de flexibilidad en tuberías …………………………………………....28 2.7.1. Consideraciones Generales……………………………………………28 2.7.2. Requerimientos de Flexibilidad en un Sistema de Tuberías………….29 2.7.3. Fundamentos relacionados con el análisis de flexibilidad……………30 2.7.4. Tubería Curva…………………………………………………………30 2.7.4.1. Factor de Flexibilidad, k…………………………………….31 2.7.4.2. Factor de Intensificación de Esfuerzos, i……………………31 2.7.5 Consideraciones en el diseño del sistema por flexibilidad…………….31 2.7.6. Proceso General de Evaluación del Problema de Flexibilidad en las Tuberías...…………………………………………………………………….32 2.8. Caesar II ………………………………………………………………..............34 2.8.1. Capacidades de análisis estático..…………………………………….35 2.9.2. Capacidades de análisis dinámico..…………………………………...36 2.9.3. Capacidades de salida …………………………………………….......37
CAPITULO III, MARCO METODOLÓGICO 3.1. Tipo de investigación……………………………………………………………38 3.2. Diseño de investigación …………………………………………………...........38 3.3. Población y muestra ……………………………………………………………39 3.4. Técnicas de recolección de datos……………………………………………….39
3.4.1. Entrevista…......……………………………………………………….39 3.4.2. Revisión documental………………………………………………….40 3.4.3 Observación directa……………………………………………………40 3.5. Procedimiento.………...………………………………………………………..40
CAPITULO IV, RESULTADOS 4.1. Consideraciones tomadas en el análisis.………………......................................43 4.2. Planos utilizados……………………………………………...………………...45 4.3. Calculo analítico de los esfuerzos en tuberías………………………….............45 4.3.1. Esfuerzo por presión…………………………………………………..45 4.3.1.1. Esfuerzo circunferencial Debido a la presión interna……….46 4.3.1.2. Esfuerzos Longitudinales debido a la presión interna……….47 4.3.1.2.1. Tuberías Rectas……………………………………47 4.3.1.2.2. Codos y Curvas…………………………………....48 4.3.1.2.3. Conexiones de Ramal (Te)………………………...50 4.3.2. Esfuerzos por cargas sostenidas……………………………………….50 4.3.2.1. Codos………………………………………………………..54 4.3.2.2. Tes…………………………………………………………...55 4.3.3. Esfuerzos Longitudinales……………………………………………...57 4.4. Análisis de flexibilidad en tuberías con la aplicación del software CAESAR II……………………………………………………………………………………..58 4.4.1. Análisis del arreglo planificado (en planos)…………………………..59 4.4.2. Análisis del arreglo fabricado (Existente)……………………………..63 4.4.3. Comparación entre ambos arreglos……………………………………68 4.5. Resultados de los análisis …………………………………………….…..........69 CONCLUSIONES ………….………………………………………………............71 RECOMENDACIONES……………………………………………………….……72 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………….…73 ANEXOS…………………………………………………………………………….74
ÍNDICE DE FIGURAS PAG.
Figura 1.1 Diagrama de flujo…………………………………………….…………...4 Figura 2.1. Organigrama de CVG Bauxilum…………………………………..…….13 Figura 2.2. Organigrama estructural gerencia de proyecto e ingeniería……………..15 Figura 2.3. Sistema de Tuberías Simple……………………………………………..20 Figura 2.4. Esfuerzos por presión……………………………………………………21 Figura 2.5. Esfuerzo por cargas sostenidas…………………………………………..23 Figura 2.6 Momentos en conexiones……………………………………………...…24 Figura 2.7. Esfuerzos por Expansión……………………..………………………….26 Figura 2.8. Ejemplo de análisis estático con CAESAR II………………….………..36 Figura 2.9. Ejemplo de análisis dinámico con CAESAR II….…………………..…..37 Figura 4.1. Diagrama de Codo………..…...…………………………………………48 Figura 4.2. Diagrama de momentos en tubería……………….……………………..51 Figura 4.3. Sección de tubería…………………………………………...……......…52 Figura 4.4. Medidas del codo..…..………………………………………………...…54 Figura 4.5.1. Sección 1…..…………………………………………………………..59 Figura 4.5.2. Sección 2………..…………………………………………………..…59 Figura 4.5.3. Sección 3……………………..………………………………………..60 Figura 4.5.4. Sección 4……..………………………………………………………..60 Figura 4.5.5. Sección 5…………..…………………………………………………..61 Figura 4.5.6. Sección 6…..…………………………………………………………..61 Figura 4.5.7. Sección 7……………….……………………………..……………….62 Figura 4.6 Desplazamientos………………………………………………………….62 Figura 4.7.1. Sección 1………………………………………………………………63 Figura 4.7.2. Sección 2………………………………………………………………64 Figura4.7.3. Sección 3……………………………………………………………….64 Figura 4.7.4. Sección 4………………………………………………………………65 Figura 4.7.5. Sección 5………………………………………………………………65
Figura 4.7.6. Sección 6…………………………………………….………………...66 Figura 4.8. Desplazamientos…………………………………………………………66 Figura 4.9. Líneas de deformación de la tubería…………………...……………...…67 Figura 4.10. Comparación de Desplazamientos……………………………………..68
ÍNDICE DE TABLAS PAG.
Tabla 2.1. Factor Y para t < D/6…………………………………………………….22 Tabla 2.2. Factor f de Reducción por Cargas Cíclicas………………………………28 Tabla 4.1. Planos Isométricos………………………………………………………..45 Tabla 4.2. Diagramas……………………………………………………………...…45 Tabla 4.3. Momentos Productos de las Cargas de Gravedad………………….…….53 Tabla 4.4. Esfuerzos por Cargas Sostenidas en Codos…………………..….……….55 Tabla 4.5. Esfuerzos por Cargas Sostenidas en Tés…………………………………57 Tabla 4.6. Esfuerzos longitudinales en codos………………………………………..58 Tabla 4.7. Esfuerzos Longitudinales en Tés…………………………………………58 Tabla 4.8. Esfuerzos Calculados por el CAESAR II…………………………….…63 Tabla 4.9. Esfuerzos Calculados por el CAESAR II……………………………….67 Tabla 4.10. Comparación de los resultados obtenidos con el software y los obtenidos de forma analítica de la línea de tubería 200-STL-38-749-K…………………….…69
DEDICATORIA
Este trabajo lo dedico especialmente a las personas que siempre llevo en mi corazón, entre las cuales puedo destacar a:
Mi Madre Iraida de Carreño, mi Padre Pedro Carreño quienes siempre me han brindado apoyo y amor incondicional y me han impulsado a seguir adelante siempre y lograr mis metas.
Mi Hermana Ioselin Carreño, quien siempre me ha brindado su cariño y amor incondicional.
A mi Novia María Larrosa, quien me brinda su amor incondicional que me sirve de apoyo para luchar por mis ideales y me hace ser una mejor persona para poder construir un buen futuro en mi vida.
A mis Amigos, Rafael Zapata, Yeisy López y Luis Rodriguez quienes me brindaron su apoyo y ayuda en momentos de difícil razonar y me motivan a nunca rendirme ante las barreras que se me presentan en la vida.
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AGRADECIMIENTO Agradezco en primer lugar a Dios Todopoderoso por regalarme el derecho a vivir, por reglarme esos maravillosos Padres que tengo, por darme la fuerza necesaria para nunca dejarme abatir ante la vida, por darme la dicha de conocer los dos mas grandes sentimientos que pueda tener el ser humano que son el Amor y la Amistad.
Agradezco a mis Padres por siempre estar ahí para mi y por su crianza que me ha permitido formarme en el ser humano que soy hoy en día.
Agradezco a todos los profesores que en las aulas y fuera de ellas me han brindado ese basto conocimiento que me ha permitido desarrollar este proyecto.
Al Bachiller John Salazar por brindarme información técnica valiosa para la elaboración de este Proyecto.
A los Ingenieros Pedro Blanco, Frank Villasmil, Carlos Chettick por su valiosa ayuda para la obtención de los datos necesarios para poder realizar este Proyecto.
A mis tutores académico e industrial, Prof. Elías Malave y al Ing. Carlos Arroyo, por su apoyo y disposición en todas las actividades necesarias para el desarrollo de este proyecto.
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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA PRACTICA PROFESIONAL
“REDISEÑO DE LA LÍNEA 200-STL-38-749-K, PERTENECIENTE AL ÁREA 38 DE CVG BAUXILUM, MEDIANTE UN ANÁLISIS DE ESFUERZOS” Autor: Pedro Carreño Tutor Industrial: Carlos Arroyo Tutor Académico: Elías Malave Fecha: Marzo de 2009
RESUMEN La tubería 200-STL-38-749-K del área 38 de CVG Bauxilum en ocasiones presenta fugas de vapor vivo por las bridas pertenecientes a la línea que se haya cercana al intercambiador de calor E-38-1. Estas fugas originan una reducción en la capacidad térmica e hidráulica del área y por ende afectan la temperatura del licor madre, obteniéndose una baja productividad de licor lo que genera pérdidas de producción, debido a que no se puede lavar las incrustaciones de oxalato en los equipos pertenecientes al área 39, esto porque al presentar fuga de vapor en dicha línea se requiere de la parada del proceso. Para solventar el problema se realizó este trabajo el cual corresponde a una investigación de tipo descriptiva y aplicada, mientras que el diseño de investigación fue de campo. Para esta investigación se recurrió a la revisión de planos, reportes de operación, manuales y se realizaron entrevistas no estructuradas; así como también se analizaron y verificaron las condiciones de operación de las líneas de tubería, con el fin de realizar un análisis de forma analítica y compararlo con los resultados obtenidos en el software Caesar II. Con los análisis realizados de forma analítica y con la ayuda del software se determinó que los esfuerzos presentes en las tuberías están por debajo de los esfuerzos admisibles del código ASME B31.3. Igualmente el arreglo de tubería existente de la línea 200-STL-38-749-K es adecuado pues se encuentra en un 25,25% del esfuerzo permisible, dejando en prueba que las fugas originadas no son debidas a exceso o concentración de esfuerzos. Por esta razón no es necesario el rediseño de la línea, sin embargo se recomienda a la empresa verificar el apriete de los pernos de las bridas, inspeccionar las soldaduras de las zonas cercanas a donde se presenta las fugas y comprobar el buen estado de las empacaduras de las bridas. Palabras Claves: Esfuerzos, flexibilidad, tubería.
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INTRODUCCIÓN C.V.G. BAUXILUM, es una empresa que opera bajo la tutela de la Corporación Venezolana de Guayana (C.V.G), tiene como misión Impulsar el crecimiento sustentable de la industria nacional, satisfaciendo la demanda de bauxita y alúmina en forma competitiva y rentable, promoviendo el desarrollo endógeno, como fuerza de transformación social y económica. En este trabajo se presentará la ingeniería básica del rediseño de la ruta de la tubería 200-STL-38-749-K mediante un análisis de esfuerzos en esta. La línea 200STL-38-749-K alimenta al intercambiador de calor E-38-1 del área 38 de CVG Bauxilum. El objetivo principal del área de enfriamiento por expansión instantánea es enfriar el licor filtrado proveniente del área 38 hasta una temperatura en el licor madre de aproximadamente 78 °C, la cual es considerada uno de los parámetros a cumplir con el fin de mantener el licor en las condiciones de sobresaturación adecuada, para así inducir una rata de precipitación óptima en el área 41 que permita obtener la máxima productividad cumpliendo con los niveles de producción y calidad. El análisis de esfuerzos en la tubería de vapor vivo del área 38 surge por la necesidad de verificar los esfuerzos más grandes y los puntos más críticos en esta, para comprobar si estos están provocando fugas en las bridas y así rediseñar el sistema de tubería de forma tal que se corrija esta falla. Este estudio fue realizado aplicando un diseño de investigación de campo y esta orientado a establecer y caracterizar los parámetros de operación de la línea de vapor vivo del área 38 de CVG Bauxilum, con el fin de evaluarla y analizarla según el código ASME B31.3 y examinar la posibilidad de un rediseño de la línea.
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El procedimiento que permitirá lograr los objetivos de la presente investigación implicará
lo siguiente: Búsqueda, revisión y análisis de todo lo
referente a normas de diseño de redes de tubería, análisis de esfuerzos en tuberías, especificaciones generales, particulares y de diseño
que se utilizan en CVG
Bauxilum, así como también de planos de la línea, además de la elaboración de los planos isométricos de la línea. Todo esto se realizará con el fin de extraer toda la información y todos los datos necesarios que se utilizaran en el diseño de la línea de tubería. A través de este informe se presenta el resultado de la investigación realizada de la siguiente manera: el en capitulo 1 se presenta el problema objeto de la investigación. En el capitulo 2 se dan a conocer los aspectos referidos a la empresa y las bases teóricas. En el capitulo 3 se indica el diseño metodológico que se siguió para realizar el estudio. En el capitulo 4 se exponen y analizan los resultados y finalmente se presentan las conclusiones, recomendaciones, apéndice y referencias bibliográficas.
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CAPITULO I
EL PROBLEMA 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA C.V.G Bauxilum, es una empresa del estado venezolano, que opera bajo la tutela de la Corporación Venezolana de Guayana (C.V.G), su función primordial es la de extraer la bauxita y su transformación posterior en oxido de aluminio (alúmina), a través del proceso Bayer, para abastecer los requerimientos de sus principales clientes como lo son las empresas C.V.G Venalum y C.V.G Alcasa. El proceso Bayer consiste en la digestión de la bauxita previamente molida, mezclándola con abundante hidróxido de sodio a valores de presión y temperatura considerables, luego se realiza la separación física de otros componentes de la bauxita y se hace cristalizar el hidróxido de aluminio, lo cual se hace posible mediante el descenso de la temperatura y dilución de aluminato de sodio, se extrae la humedad y se calcina para obtener como producto final alúmina de grado metalúrgico. La empresa dentro de su gran cantidad de áreas para lograr el proceso productivo ya mencionado posee un área de filtración de seguridad como lo es el área 38. En CVG Bauxilum aunque la mayor parte del residuo sólido (lodo rojo) que queda en suspensión después de la digestión se remueve en las operaciones de
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desarenado y sedimentación del lodo rojo, una pequeña porción de sólidos queda sin flocular en los espesadores y estos se rebosan con el licor madre (generalmente alrededor de 150 miligramos por litro). Estos sólidos tienen que ser removidos del licor madre antes que este sea pasado a precipitación de otra manera estos sólidos contamina la semilla y el producto de hidrato. La remoción de estos sólidos es la función del área 38 llamada Filtración de seguridad. Dentro de los equipos, dispositivos y líneas necesarios para obtener el estado óptimo del licor de limpieza se encuentra la línea 200-STL-38-749-K el vapor que circula a través de esta tubería es utilizado para el calentamiento del licor de limpieza que es enviado a las áreas 39 enfriamiento por expansión instantánea y 41 precipitación.
Figura 1.1. Diagrama de flujo De acuerdo al diagrama de flujo se observa que el licor de limpieza será succionado del tanque T-38-18 y bombeado por la bomba P-38-18 A/B y recircula
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hacia el tanque T-38-18 pasando a través del intercambiador de calor E-38-1 el cual elevará la temperatura del licor de limpieza hasta el valor prefijado en el rango de 70 ºC a 75 ºC. Esta temperatura será controlada con la adición de vapor al intercambiador de calor a través de la tubería 200-STL-38-749-K. Actualmente la tubería 200-STL-38-749-K del área 38 de CVG Bauxilum en ocasiones presenta fugas de vapor vivo por las bridas pertenecientes a la línea que se haya cercana al intercambiador de calor E-38-1. Las fugas originan una reducción en la capacidad térmica e hidráulica del área y por ende afectan el logro en la temperatura del licor madre, obteniéndose una baja de productividad del licor que genera pérdidas de producción, debido a que no se puede lavar las incrustaciones de oxalato en los equipos pertenecientes al área 39, esto porque al presentar fuga de vapor en dicha línea se requiere de la parada del proceso. Para solventar el problema se plantea realizar un análisis de esfuerzos que permita realizar un rediseño de esta línea, debido a que, se presume que la causa primordial de esta falla es la concentración de esfuerzos en ciertas partes de la línea. En caso de no ser cierto las causas de las fallas se plantearían recomendaciones que mejoren el proceso hasta conseguir la causa real de falla.
1.2. OBJETIVOS
1.2.1. Objetivo General •
Rediseño de la línea 200-STL-38-749-K, perteneciente al área 38 de CVG Bauxilum, mediante un análisis de esfuerzos en la tubería.
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1.2.2. Objetivos específicos •
Elaboración de la ingeniería conceptual para el rediseño de la línea mediante un análisis de esfuerzos.
•
Establecer los parámetros operacionales de la línea de tubería de vapor vivo del área 38.
•
Establecer y analizar los esfuerzos a los cuales estará sometida la línea de forma analítica.
•
Desarrollar el análisis de flexibilidad en tuberías con la aplicación del software CAESAR II.
•
Comparar los resultados que se obtuvieron del análisis de flexibilidad de forma analítica con los resultados que se obtuvieron con la aplicación del software.
•
Desarrollar los planos de ingeniería básica.
1.3. ALCANCE El desarrollo de este proyecto abarcará una primera parte, donde se desarrollará la ingeniería conceptual y básica del rediseño de la línea mencionada anteriormente, esto incluye ruteo de la línea, análisis de esfuerzos y planos de ingeniería básica; para el logro de los objetivos planteados anteriormente. El estudio que se realizará, se enfoca en los principios que rigen las siguientes disciplinas: •
Diseño de redes de tuberías.
•
Esfuerzos provocados por elevadas temperatura.
•
Flujo de fluidos.
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1.4. DELIMITACIÓN
EL proyecto se llevará a cabo en la Gerencia de Proyecto e Ingeniería perteneciente a la empresa CVG Bauxilum, Ubicada en la zona industrial Matanzas de Puerto Ordaz. Teniendo como objetivo rediseño de la línea 200-STL-38-749-K mediante un análisis de esfuerzos en la tubería. En caso de que se amerite el tiempo del proyecto podría alargarse sin ningún inconveniente ya que actualmente soy trabajador de la empresa en referencia, desempeñándome como dibujante en la sala técnica. Con lo cual mi estadía en planta no estaría limitada a dieciséis (16) semanas únicamente.
1.5. LIMITACIONES
El desarrollo de este trabajo dependerá principalmente de los parámetros de operación de la línea, otra de las limitantes será la disponibilidad del tiempo del personal de la empresa que este vinculado con el objeto de este proyecto, el cual servirá como fuente para el suministro de información.
1.6. JUSTIFICACIÓN
Es de gran importancia para CVG Bauxilum corregir las fugas de vapor vivo presuntamente producidas por concentraciones de esfuerzos debidos al efecto de la temperatura, debido a que:
•
Se evitan pérdidas de producción generadas por retardos en los lavados.
•
Se mejora la capacidad térmica del área.
•
Se mejora la capacidad hidráulica del área.
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•
Se ahorra tiempos de paradas en el proceso de obtención del licor de limpieza.
•
Se mejoran los procesos de lavados en las líneas y equipos del área 39.
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CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
2.1. GENERALIDADES DE CVG. BAUXILUM
2.1.1. Reseña histórica. La corporación venezolana de Guayana, identificada por sus siglas CVG, fue creada mediante la figura jurídica del instituto autónomo, por el decreto Nº 430, de fecha 29 de diciembre de 1960. A partir de los años 60, nació en Guayana la actividad industrial del aluminio. Luego a finales del año de 1977 se constituyó Interamericana de Alúmina (CVG Interalumina), con la participación mayoritaria de los entes estatales Corporación Venezolana de Guayana con un 4.25%, y Fondos de Inversiones de Venezuela con un 92% asociados con Swiss Aluminium con un 3.75%. En 1979 se crea la empresa Bauxita Venezolana, C.A (CVG Bauxiven), con la misión de explotar el yacimiento de los Pijiguaos, siendo sus principales accionistas la CVG y Ferrominera Orinoco, con una capacidad instalada anual de producción de seis millones de toneladas métricas de Bauxita, esta capacidad permitía a CVG Bauxiven satisfacer la demanda total de CVG Interalúmina. Como parte de una estrategia desarrollada por la Corporación Venezolana de Guayana para fortalecer el negocio del aluminio venezolano, afectado por factores
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exógenos, este organismo estatal se vio en la necesidad de promover la fusión de las empresas Bauxiven e Interalúmina en una sola compañía llamada CVG Bauxilum.
2.1.2. Ubicación Geográfica CVG Bauxilum se encuentra ubicada al sur Oriente del país, en la zona industrial Matanzas, parcela 523-01-02,
Avenida Fuerzas Armadas, frente a la
empresa CVG Venalum, abarcando un área de 841.000 Km2. Puerto Ordaz, Estado Bolívar, sobre el margen del Río Orinoco a 350 kilómetros de Océano Atlántico y a 17 kilómetros de su confluencia con el Río Caroní. Esto le permite a la empresa el aprovechamiento de cuantiosos yacimientos de mineral de bauxita gracias a las cercanías con las fuentes hidráulicas para la generación de energía eléctrica, la disponibilidad de gas natural proveniente de los campos petroleros del oriente Venezolano y por último la conexión por vía terrestre y fluvial con los mercados del mundo.
2.1.3. CVG Bauxilum CVG Bauxilum es una compañía integrada para la producción de alúmina, la cual incluye la extracción de la bauxita y su transformación en alúmina a través del proceso Bayer. En cuanto a acciones, la ocupa la inversión venezolana con un 99%, y 1% de capital extranjero, correspondiente al consorcio Alusuisse Lonza Holding. La compañía esta dividida en la mina de bauxita (Operadora de Bauxita) y la planta alúmina (Operadora de Alúmina), cuyas capacidades instaladas son de 6 millones por año y 2 millones por año respectivamente. CVG Bauxilum se encarga de la explotación de los yacimientos del mineral en la zona de los Pijiguaos, correspondiente al municipio Cedeño del estado Bolívar; tiene una capacidad instalada de 6 millones de TM al año.
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2.1.4. Objetivos 2.1.4.1. Objetivo General ¾ Garantizar la producción y abastecimiento de Bauxita y alúmina grado metalúrgico, en términos de calidad,
oportunidad y costos según los
requerimientos de consumo de las plantas reductoras nacionales e internacionales. 2.1.4.2. Objetivos Específicos ¾ Mejorar la producción y aumentar la eficiencia del proceso productivo de acuerdo a las exigencias de los mercados internacionales. ¾ Aumentar los ingresos de la empresa mediante la venta de alúmina cumpliendo adecuadamente con los clientes. ¾ Aumentar la adquisición de materias primas, equipos, insumos y servicios de calidad y oportunidad requerida a costos competitivos. ¾ Lograr el dominio tecnológico de los procesos productivos. ¾ Disponer de un recurso humano competente identificado con la organización.
2.1.5. Misión Impulsar el crecimiento sustentable de la industria nacional, satisfaciendo la demanda de bauxita y alúmina en forma competitiva y rentable, promoviendo el desarrollo endógeno, como fuerza de transformación social y económica.
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2.1.6. Visión Constituirnos en una empresa socialista, contribuyendo al desarrollo sustentable de la industria nacional del aluminio, a los fines de alcanzar la soberanía productiva, con un tejido industrial consolidado y desconcentrado, con nuevas redes de asociación fundamentadas en la participación y la inclusión social rumbo al Socialismo Bolivariano.
2.1.7. Política de la calidad, ambiente y seguridad Fomentar el desarrollo, la participación del recurso humano y el mejoramiento continuo, en los procesos de explotación de bauxita y producción de alúmina, cumpliendo con las normas de calidad, ambiente, salud y seguridad laboral, para satisfacer los requerimientos y expectativas de nuestros clientes, con altos niveles de rentabilidad, competitividad y responsabilidad social.
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2.1.8. Organigrama de CVG Bauxilum
Figura 2.1. Organigrama de CVG Bauxilum
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2.2. GERENCIA DE PROYECTO E INGENIERÍA
2.2.1. Objetivos de la calidad 2.2.1.1.- Objetivo General ¾ Desarrollar proyectos de ingeniería que garanticen la continuidad operativa de la planta, las mejoras ambientales y la calidad de vida del trabajador en términos de costo y oportunidad, así como la prestación de servicios de apoyo técnico a la planta, custodia y actualización de toda la documentación técnica de sus instalaciones y equipos, aplicar y velar por el estricto cumplimiento de las normas de ingeniería internas, nacionales e internacionales. 2.2.1.2.- Objetivos Específicos ¾ Cumplir con la Ejecución Presupuestaria de los proyectos de inversión. ¾ Cumplir con la Ejecución Presupuestaria de los proyectos de gasto. ¾ Cumplir con la Ejecución física global de los proyectos de Ingeniería ¾ Mantener el Sistema de Gestión de la Calidad.
2.2.2. Indicadores de gestión de la calidad ¾ Monto en bsF. Colocado en solicitudes de pedido para la ejecución de los proyectos. ¾ Monto en bsF. Colocado en pedido para la ejecución de los proyectos. ¾ Porcentaje de avance físico de los proyectos de ingeniería. ¾ Cantidad de proyectos cerrados por mes. ¾ Cantidad de horas de sobretiempo por mes.
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¾ Cantidad de horas hombre prestada en apoyo a la planta. ¾ Cantidad de planos digitalizados. ¾ Cantidad de documentos ingresados al sistema de documentos internos. ¾ Cantidad de registros de planos y líneas de tuberías ingresados al sistema de control de planos. ¾ Auditorías internas de la calidad. ¾ Monto ejecutado en dólares.
2.2.3. Organigrama estructural
Figura 2.2. Organigrama estructural gerencia de proyecto e ingeniería
2.3. EXTRACCIÓN Y TRANSPORTE DE LA BAUXITA En los Pijiguaos, el mineral se extrae directamente desde los bloques del yacimiento, con el fin de lograr la calidad necesaria del material, esto se logra con palas hidráulicas que arrancan y cargan bauxita en camiones roqueros de 50 toneladas, para su transporte hasta la estación de trituración. En el sistema de
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trituración se trabaja la bauxita en molinos hasta llevarla a una granulometría menor de 100 milímetros para luego ser transportada hacia pie de cerro gracias a una tolva de transferencia con tecnología tipo teleférico. Los patios de almacenamiento a donde llegan, constan de unos sistemas recuperadores y correas transportadoras que llevan la bauxita hacia los vagones de carga, que se dirigen al Puerto de el Jobal, en el cual gabarras con capacidad de 1500 a 2000 toneladas, auxiliadas por remolcadores, transportan el mineral a través del Río Orinoco hasta la operadora de alúmina en Ciudad Guayana, en un recorrido de 650 Kilómetros.
2.4. PROCESO BAYER En 1887 el científico Kart Joseph Bayer desarrollo en Austria el proceso químico para la obtención de la alúmina concentrada en el mineral de bauxita. El proceso que se aplica en Bauxilum que permite la refinación de las menas de bauxita para la obtención de alúmina de grado metalúrgico, sigue el mismo principio del proceso Bayer, pero con nuevas tecnologías, y se puede dividir en tres secciones: Manejo de materiales, Lado rojo y Lado blanco.
2.4.1. Manejo de Materiales El área correspondiente a manejo de materiales, consta de equipos que permiten el manejo de la bauxita y soda cáustica y la exportación del producto final. La planta de alúmina cuenta con unidades para el apilado y recuperación de la bauxita. Actualmente posee una unidad con sistemas de cangilones que combina tanto el apilado como la recuperación, con una capacidad promedio de 2400 t/h para el apilado y de 900 t/h para la recuperación. Además esta área cuenta con silos de almacenamiento de bauxita con una capacidad de 1.800.000 toneladas y un silo de almacenamiento de alúmina con una capacidad de 150.000 toneladas.
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2.4.2 Lado Rojo El lado rojo permite la reducción del tamaño de las partículas del mineral, la extracción de la alúmina contenida en la bauxita y la separación de las impurezas que acompañan a la alúmina. El primer paso involucrado en el proceso Bayer es la reducción del tamaño de las porciones de bauxita (trituración y molienda), para así aumentar la superficie expuesta a reacción. Inicialmente, la bauxita que entra al proceso es triturada por medio de unos trituradores de rodillos, estos trituradores además de bauxita se alimentan de cal y cierto volumen de licor fuerte (solución fuerte de Na2O), precalentado para prevenir cualquier bloqueo y para evitar la formación de polvo cuando se trabaja con bauxita seca. A esta mezcla se le da el nombre de suspensión de bauxita molida. A la salida de los trituradores las partículas grandes de bauxita no deben ser mayores de 15 mm. Después de los trituradores, la suspensión de bauxita fluye por gravedad hasta los molinos de bolas, mezclándose previamente con licor fuerte precalentado, cuya función es lograr una molienda fina. Luego de la etapa de molienda, los sólidos, son introducidos a los digestores, donde se les añade licor fuerte precalentado. La disolución de la bauxita con el licor fuerte es una reacción endotérmica, por lo que es necesario inyectar vapor a una temperatura de 225
grados centígrados. A una temperatura aproximada de 140
grados centígrados se lleva a cabo la digestión, produciéndose una solución acuosa. La disolución de la alúmina se obtiene según la siguiente reacción: AL (OH)3 + NaOH
NaALO2 + 2H2O
Después del área de digestión y una vez que la solución acuosa de aluminato de sodio ha sido enfriada por expansión instantánea, es diluida con el fin de propiciar
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un proceso de asentamiento, este asentamiento trae consigo numerosas partículas insolubles constituidas generalmente por cuarzo y óxidos de hierro. Este grupo de partículas
es removida en la sección de desarenado. El objetivo del área de
desarenado es entonces separar partículas mayores de 100 micrones. La separación se realiza en unos equipos llamados hidrociclones, que se aprovechan de la acción de la fuerza centrifuga para separar las partículas y desecharlas. La solución que sale de los hidrociclones (solución con partículas finas), es llamada lodo rojo y es enviada a unos tanques de rebosado de donde luego pasa a ser almacenada en los tanques almacenadores de suspensión acuosa del aluminato de sodio para la alimentación de los espesadores. En los tanques espesadores se adiciona un floculante que facilita el proceso de sedimentación. La separación del lodo rojo se efectúa por asentamiento por gravedad en un tanque espesador. El lodo rojo es recuperado como una solución acuosa espesa y pasa hacia los tanques de lavado de lodo rojo. El lavado de lodo rojo consiste en hacer pasar una solución acuosa de lodo rojo en contracorriente con al agua de lavado a través de tanques de lavado, iguales a los espesadores. Con este proceso se logra recuperar la soda cáustica y la alúmina para ser retornadas al proceso, mientras
que el lodo rojo queda listo para ser
desechado.
2.4.3. Lado Blanco En el lado blanco, después de haberse filtrado la suspensión de aluminato de sodio, esta pasa a una fase de enfriamiento por expansión que la acondiciona (sobresatura) para la fase de precipitación donde se obtiene el hidrato de alúmina. La precipitación del hidrato es promovida por la adición de semillas de hidrato, las cuales van a actuar como nucleadores y fomentadores del crecimiento de las partículas de trihidrato de aluminio. Las semillas de hidrato de alúmina pasan por un proceso de lavado y filtrado antes de que sean retornadas a los precipitadores, lo que se traduce en un incremento neto de la productividad en el orden 500 t/día. Los
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cristales de alúmina que van precipitando a partir del licor preñado fluyen a la temperatura de 60 a 75 grados centígrados a través de la primera serie de 9 precipitaciones, los cuales están provistos de agitación mecánica. El proceso de precipitación es una reacción lenta que requiere de un tiempo de residencia de hasta 40 horas. Por cada etapa se tienen en el primer paso de precipitación doce precipitadores de 1650 m3 y para el segundo paso quince precipitadores de 3000 m3, un tercer paso de diez precipitadores de 4500 m3 es común para ambas etapas. La preclasificación del hidrato se consigue en los últimos dos precipitadores de 4500 m3. Del área de precipitación, los cristales del hidrato pasan al área de clasificación. La clasificación es por rangos de tamaño, separándose las partículas en tres fracciones, la más gruesa se envía a filtración y calcinación, mientras que la intermedia y fina se reciclan para ser empleadas como semillas. Los cristales de hidrato depositados en el fondo de los clasificadores primarios son enviados al área de filtración del producto, donde el hidrato es lavado y separado del licor cáustico agotado mediante filtración al vacio en filtros horizontales. El hidrato filtrado tiene que alcanzar un bajo contenido de
humedad libre, para así minimizar el calor
requerido para el secado térmico del mismo en los calcinadores. Con el lavado del trihidrato se desea minimizar el contenido de sosa cáustica en el hidrato para reducir aun mas las perdidas de dicha sustancia
y evitar que el producto final este
contaminado con soda cáustica. El hidrato filtrado es descargado por medio de un tornillo sin fin hacia la tolva de alimentación de los secadores de los calcinadores. El hidrato es calcinado con el propósito de remover la humedad y el agua químicamente ligada. Esto es hecho en un calcinador de lecho fluidizado (dos por etapa), a una temperatura máxima de 1100 grados centígrados. El agua es removida por intercambio de calor en los ciclones entre el hidrato y los gases de desecho. El material luego entra en el horno de lecho fluidizado. Finalmente la alúmina calcinada es enfriada en ciclones con intercambio de calor en contracorriente con el aire de combustión. Un enfriador de lecho fluidizado provee el enfriamiento final. Para separar los sólidos arrastrados en los ciclones con gases de desechos e incrementar la
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eficiencia, se instalaron unos precipitadores electrostáticos. El ciclo de producción de la alúmina es un circuito cerrado en lo que respecta al licor cáustico el cual es manejado a diferentes niveles de concentración. Una planta de evaporación instantánea esta instalada para restaurar la concentración original de la cáustica y reducir el consumo especifico de vapor.
2.5. ÁREA 38 Esta es el área de filtración de seguridad, se encuentra ubicada al sur del área de clarificación (área 93) y al oeste de área de lavado de lodo rojo (área 35). La función de esta es la remoción de residuos sólidos (lodo rojo) que quedan en suspensión en el licor madre saturado en alúmina después de las operaciones de desarenado y sedimentación. Si estos sólidos no fueran removidos del licor madre antes que este sea pasado a precipitación se contaminaría la semilla y el producto de hidrato.
2.6. FLEXIBILIDAD EN SISTEMAS DE TUBERÍA
2.6.1. Sistema de Tuberías Simple Para explicar en qué consiste el análisis de flexibilidad de tuberías se tomará como punto de partida un sistema sencillo como el mostrado en la figura 2.3.
Figura 2.3. Sistema de Tuberías Simple
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Sea p la presión interna del fluido en una tubería y sea T la temperatura de diseño. Se designará como Ta a la temperatura ambiente. Cuando el sistema entra en operación, la presión se eleva hasta p y la temperatura cambia de Ta a T, generándose esfuerzos en el sistema. La presión interna p genera esfuerzos tangenciales y longitudinales, mientras que el cambio de temperatura ∆T = T – Ta, genera esfuerzos longitudinales de origen térmico que tienen lugar debido a que la tubería no puede expandirse (o contraerse) libremente a consecuencia de encontrarse restringida en su desplazamiento a causa de los soportes y de su conexión a los equipos que conforman el sistema. Si adicionalmente se considera el efecto del peso de la tubería, así como el de su contenido se tendrá también la presencia de esfuerzos longitudinales y de corte análogos a los producidos por la expansión térmica. Todos estos estados de cargas deben considerarse en el análisis de un sistema de tubería. Como regla general, el esfuerzo más limitante y de mayor relevancia es el de la expansión térmica.
2.6.2. Esfuerzos por Presión (Hoop) La presión del fluido dentro de la tubería produce un esfuerzo tangencial o circunferencial que ocasiona un aumento en el diámetro de la tubería, y un esfuerzo longitudinal que produce un aumento en la longitud de la misma.
Figura 2.4. Esfuerzos por presión
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Si el espesor t de la tubería es pequeño comparado con el diámetro exterior, puede suponerse que estos esfuerzos se distribuyen uniformemente a lo largo del espesor. Para determinar el esfuerzo tangencial, se pasa un plano longitudinal imaginario que divida a la tubería en dos partes iguales. La fuerza resultante de los esfuerzos tangenciales debe estar en equilibrio con la resultante de la presión interna p sobre la mitad de la superficie de la tubería. El código ASME B31.3 establece que el esfuerzo por presión debe calcularse como:
Donde Y es un factor reducción que depende de la temperatura de diseño y del tipo de material. Tabla N° 2.1. Factor Y para t < D/6 Temperatura (ºF)
<900
<950
<1000
<1050
<1100
<1150
Aceros ferríticos
0.4
0.5
0.7
0.7
0.7
0.7
Aceros austeníticos
0.4
0.4
0.4
0.4
0.5
0.7
Otros materiales dúctiles
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
Fuente: Álvarez (2003)
2.6.3. Esfuerzos por cargas sostenidas (Gravedad) Los esfuerzos por cargas sostenidas son aquellos esfuerzos longitudinales producidos por la presión, el peso de la tubería, su contenido, el aislante y otras cargas de gravedad tales como el peso de las válvulas, bridas, filtros, etc.
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Este esfuerzo puede expresarse como: σl = σlp + σlg Donde σlp es el esfuerzo longitudinal debido a la presión y σlg es el esfuerzo longitudinal debido a las cargas de gravedad. Para evaluar σlp se pasa un plano imaginario transversal y se hace un diagrama de cuerpo libre.
Figura 2.5. Esfuerzo por cargas sostenidas Escribiendo la ecuación de equilibrio de fuerzas en la dirección longitudinal se tiene: π . D2 p = σ Lp . π . D . t 4 De donde: σ Lp =
p.D 4t
El código establece que debe usarse como espesor t – tc. Luego σ Lp =
p.D 4 (t - t c )
El peso de la tubería y de otras cargas concentradas genera en cada sección transversal de la tubería momentos flectores Mi y Mo.
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En general, cuando una viga está sometida a flexión pura por un momento flector M, los esfuerzos se distribuyen de acuerdo con la ecuación
σ=
M.y I
Donde M es el momento flector, “y” es la distancia del eje centroidal al punto donde se desea calcular el esfuerzo e I es el momento de inercia de la sección transversal. El esfuerzo máximo ocurre en el punto más alejado del eje centroidal, esto es, en y = D/2.
Figura 2.6 Momentos en conexiones Entonces, σ max =
M.D 2I
σ max =
M Z
O bien,
Donde:
Z=
I D 2
Es el módulo de sección.
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En este caso,
(ii . M i )2 + (i0 . M 0 )2
M=
π D 4´- d 4 Z = 64 D 2
(
)
Luego, σ Lg =
(ii . M i ) 2 + (i 0 . M 0 ) 2 Z
El código ASME B31.3 establece que el esfuerzo longitudinal viene dado por: σL =
(ii . M i ) 2 + (i 0 . M 0 ) 2 P.D + 4 (t - t c ) Zc
Donde: Mi = Momento flector en el plano M0 = Momento flector del plano ii = Factor de intensificación de esfuerzos en el plano i0 = Factor de intensificación de esfuerzos fuera del plano Zc = Módulo de sección basado en t – tc, esto es: Zc =
[
π D 4 - (D - 2t - 2t c ) 4 32D
]
Para que la tubería no falle debido al efecto de las cargas sostenidas, debe cumplirse que: σL < Sh Donde Sh es el esfuerzo admisible básico a la temperatura de diseño.
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2.6.4. Esfuerzos por cargas de expansión Cuando la temperatura del sistema se eleva desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de operación, la tubería se expande. Debido a que no puede hacerlo libremente por las restricciones impuestas por los equipos y soportes, se dobla y se tuerce generándose momentos flectores, así como un momento torsor en cada sección transversal de la tubería.
Figura 2.7. Esfuerzos por Expansión Los momentos flectores Mi y Mo, producen un esfuerzo máximo longitudinal, σn =
(ii . M i ) 2 + (i 0 . M 0 ) 2 Z
Mientras que el momento torsor Mt genera un esfuerzo máximo de corte τt =
Mt 2Z
Ambos esfuerzos se calculan utilizando el espesor nominal. Para analizar la resistencia de la tubería sujeta a este estado combinado de cargas debe utilizarse una teoría de fallas. El código ASME B31.3 utiliza la Teoría del Esfuerzo de Corte Máximo (Teoría de Tresca), la cual establece que para que no se produzca una falla, el esfuerzo de corte máximo real debe ser menor que el esfuerzo de corte máximo en el ensayo de tracción para un nivel determinado de carga.
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Para determinar el esfuerzo de corte máximo en la tubería se tienen que evaluar primero los esfuerzos principales: 2
σ1, 2 =
σb ⎛σ ⎞ 2 ± ⎜ b ⎟ + τt 2 ⎝ 2 ⎠
Entonces, τ max =
2
σ1 - σ 2 2
⎛ σb ⎞ 2 ⎜ ⎟ + τt ⎝ 2 ⎠
Para que el material no falle, 2
S 1 ⎛σ b ⎞ 2 σE = ⎜ ⎟ + 4τ t ≤ A 2 ⎝ 2 ⎠ 2
O bien: 2
⎛σ ⎞ σ E = ⎜ b ⎟ + 4τ t 2 ≤ S A ⎝ 2 ⎠ Donde σE se denomina esfuerzo de expansión y SA es el esfuerzo admisible de expansión, el cual viene dado por: SA = f(1,25Sc + 0,25Sh) Donde: Sc = Esfuerzo admisible del material de la tubería en la condición fría del apéndice del código ASME B31.3, Psi Sh = Esfuerzo admisible del material de la tubería en la condición caliente del apéndice del código ASME B31.3, Psi. f = Factor de reducción del rango de esfuerzo admisible para el número total de ciclos de temperatura durante la vida esperada.
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El código establece que si el esfuerzo longitudinal por cargas sostenidas es inferior al esfuerzo admisible, es decir, si σL < Sh, entonces la diferencia Sh – SL puede agregarse al esfuerzo admisible SA. Luego
Tabla 2.2. Factor f de Reducción por Cargas Cíclicas Número de ciclos N
f
N < 7000
1.0
7000 < N < 14000
0.9
14000 < N < 22000
0.8
22000 < N < 45000
0.7
45000 < N < 100000
0.6
N > 100000
0.5
SA = f [1,25Sc + 0,25Sh + Sh - σ L ] Esto es: SA = f [1,25 (Sc + Sh ) - σ L ]
2.7. ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD EN SISTEMAS DE TUBERÍAS
2.7.1. Consideraciones Generales Para determinar los efectos de expansión y esfuerzos en un sistema de tuberías, es necesario conocer: a. Cuál código se aplica al sistema b. Las condiciones de presión y temperatura de diseño c. Las especificaciones del material d. El diámetro de tubería y el espesor de pared de cada componente del sistema
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e. El esquema del sistema incluyendo dimensiones y movimientos térmicos en cualquier punto f. Limitaciones de reacciones finales en los puntos, tales como las establecidas por los fabricantes de equipos Teniendo determinadas las bases del problema, el código aplicable podría establecer los requerimientos mínimos de seguridad para el material a las condiciones de presión y temperatura de diseño. El análisis de flexibilidad de tuberías consiste en determinar si una línea posee la suficiente capacidad para absorber las cargas que inciden sobre ella tales como el propio peso de la tubería, la expansión térmica, las fuerzas producidas por la presión del fluido, vibraciones, terremotos y otras. Uno de los factores que pueden aumentar o disminuir la flexibilidad de una tubería es su configuración geométrica. Los sistemas de tuberías deben poseer la flexibilidad suficiente de manera que la expansión o la contracción térmica, así como los movimientos de soportes y equipos, no conduzcan a: a. Falla de la tubería o de los soportes por esfuerzos excesivos o fatiga b. Fugas en las juntas c. Falla de las boquillas de los equipos conectados (recipientes a presión, bombas, turbinas.), por reacciones excesivas.
2.7.2. Requerimientos de Flexibilidad en un Sistema de Tuberías a. El rango de esfuerzos en cualquier punto debido a desplazamientos en el sistema no debe exceder el rango de esfuerzos permisibles establecido en la sección de esfuerzos admisibles.
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b. Las fuerzas de reacción no deben perjudicar a los soportes o equipos conectados c. Los movimientos de la tubería deben estar dentro de los límites establecidos.
2.7.3. Fundamentos relacionados con el análisis de flexibilidad Una estructura que esté sujeta a un cambio de temperatura cambiará sus dimensiones físicas si está libre de expandirse. En caso contrario, se inducirán esfuerzos provocándose fuerzas de reacción y momentos en los equipos de los extremos. El problema básico del análisis de flexibilidad es determinar la magnitud de estos esfuerzos en la tubería y controlar que las reacciones en los puntos de interconexión con equipos estén dentro de valores aceptables.
2.7.4. Tubería Curva Cuando se utiliza una tubería doblada para cambiar la dirección en un sistema de tuberías, su sección recta se deforma elípticamente cuando está sometida a flexión y su flexibilidad aumenta. Además, el tubo doblado tiene un mayor esfuerzo que el determinado por la teoría elemental de flexión. Esta característica de las tuberías dobladas o codos, se toma en consideración en el análisis de flexibilidad introduciendo los "factores de flexibilidad" y los "factores de intensificación de esfuerzos", los cuales son simplemente las relaciones entre la flexibilidad y esfuerzos reales y aquellos teóricos derivados de la teoría elemental de flexión. Bajo las reglas del código ASME B31.3, el factor de flexibilidad y el factor de intensificación de esfuerzos para un tubo doblado o codo están dados por las siguientes fórmulas:
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2.7.4.1. Factor de Flexibilidad, k La tubería curva tendrá una característica de flexibilidad equivalente a la de una tubería recta de longitud L. 2.7.4.2. Factor de Intensificación de Esfuerzos, i El código hace distinción entre la flexión en el plano de curvatura y fuera del plano de curvatura.
Donde: h = características de flexibilidad t = espesor de la pared del tubo R = radio de curvatura del tubo curvo r = valor medio entre el radio exterior e interior de la sección del tubo. En el código ASME B31.3 se muestran los factores de flexibilidad y de intensificación de esfuerzos para codos, codos fabricados, ramales y puntos terminales.
2.7.5 Consideraciones en el diseño del sistema por flexibilidad Los sistemas de tuberías deben ser lo suficientemente flexibles para evitar esfuerzos mayores que los permisibles y cargas excesivas derivadas de la expansión térmica.
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Se deben evitar fallas por fatiga en tuberías y soportes debido a deformaciones muy elevadas. Para sistemas de tuberías en el área de la planta de proceso y fuera de ella ("onsite" y "offsite"): SE < SA Para sistemas de tuberías externos a las unidades de proceso cuando el diseño es gobernado por condiciones anormales de temperatura: Esfuerzo de flexibilidad (SE) menor o igual que el doble del rango de esfuerzos admisibles SE < 2SA Sin embargo, esto está limitado a las siguientes condiciones: a. Cuando la temperatura anormal del fluido está por debajo de su punto de auto ignición y de 500 ºF (260ºC) b. Cuando estas condiciones no ocurren más de 5 veces al año. SA se calcula para la condición normal y no se hace reducción en el cálculo del rango admisible de esfuerzos (SA) por el esfuerzo longitudinal (SL) que soporta la tubería cuando es menor que el esfuerzo admisible en caliente (Sh).
2.7.6. Proceso General de Evaluación del Problema de Flexibilidad en las Tuberías El objetivo del análisis de flexibilidad de las tuberías es asegurar el sistema contra la falla del material o soportes por sobre esfuerzos, contra fugas en las juntas y contra
solicitación en los equipos acoplados. En el análisis de flexibilidad de
cualquier sistema, los siguientes pasos son típicos a fin de confirmar la aceptabilidad de un diseño de tuberías:
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Típicamente, el sistema a ser evaluado tiene especificado el tamaño de la línea, el material y el número de ciclos de temperatura previstos, definidos por el proceso, y las consideraciones de las presiones y temperaturas de diseño. Esta información junto con el arreglo de la tubería y el mayor diferencial de temperatura, considerando operación normal, puesta en marcha, disparo o paradas, limpieza con vapor, condiciones anormales, etc., representan los datos necesarios para las evaluaciones de la flexibilidad del sistema. Con respecto al arreglo inicial, típicamente se selecciona de tal forma que sea consistente con las limitaciones en las caídas de presión, el espacio disponible, acceso a los equipos, estructuras existentes para soportes y reglas prácticas inherentes a la flexibilidad de la tubería. Las condiciones en los extremos tienen que ser supuestas. La práctica general en este aspecto es tomar los puntos terminales como totalmente fijos, en la ausencia de un análisis detallado de las rotaciones y deflexiones en los cuerpos de los recipientes, bombas, carcasas de compresores o turbinas u otros anclajes de la tubería. El diseñador deberá localizar, con razonable precisión, todos los puntos de restricciones intermedios incluyendo soportes, guías, topes y todos los ramales que afecten significativamente la flexibilidad de la tubería. Las mayores restricciones a los movimientos libres de la línea debido a guías o soportes, usualmente se toman en consideración en los cálculos o en otras formas de análisis. Por supuesto, todas las ubicaciones de los soportes, incluyendo resortes o contrapesos, deberán ser considerados para la evaluación de las cargas aplicadas y esfuerzos atribuidos a cargas muertas.
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Se debe seleccionar un método apropiado para el análisis del sistema de acuerdo con su importancia. Finalmente, deberá hacerse una comparación de los resultados obtenidos con el rango de esfuerzo admisible, con los criterios de cargas límites seleccionados para el sistema o los equipos conectados al mismo.
2.8. CAESAR II CAESAR II es el único software de ingeniería que permite analizar completamente sistemas de tuberías de cualquier tamaño y complejidad, con un mínimo esfuerzo, tanto estática como dinámicamente, incorporando métodos de cálculo y análisis no disponibles en ningún otro software. Su principal función es el modelaje, análisis y diseño de sistemas de tuberías, objetivo que logra este programa mediante el estudio de aspectos fundamentales del análisis de tuberías como: a. Esfuerzos por carga sostenida, expansión térmica y operacional en la tubería. b. Esfuerzos y reacciones en boquillas de equipos rotativos y recipientes a presión, según las normas API. c. Modelaje y selección de soportes. d. Cálculo de desplazamientos y deflexiones en las tuberías e. Análisis y resultados por medio de normas estándar de diseño. El sistema de tuberías puede estar compuesto por cualquiera de los más comunes elementos, tales como tramos rectos, codos, tés, etc. Estos componentes pueden tener cualquier orientación en el espacio. Las cargas pueden resultar de la expansión térmica, movimientos en los anclajes, peso uniforme de la tubería y su contenido, restricciones externas que incluyen fuerzas o momentos aplicados, deflexiones y rotaciones. Los problemas que incluyan apoyos con restricciones parciales así como extremos libres, pueden ser resueltos.
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Los datos de entrada consisten en una descripción geométrica del arreglo: dimensiones, propiedades físicas, temperatura de operación, restricciones impuestas. Esta información puede ser introducida en el sistema métrico SI o en sistema inglés. Los elementos de entrada deberán ser descritos y numerados en una secuencia definida, de manera de permitir la interpretación correcta de los resultados. Los resultados que produce el programa de análisis de flexibilidad incluyen los esfuerzos, deflexiones, rotaciones, momentos y fuerzas en cada punto de interés del sistema de tuberías, así como las fuerzas y momentos en los anclajes y restricciones. Ya sea un nuevo diseño o la verificación de una instalación existente, CAESAR II produce resultados que describen totalmente el comportamiento de la instalación basado en lineamientos y límites de diseño fijados por ASME B31, ASME Section III & VIII, WRC, API, NEMA, EJMA y otras, asegurando que la solución final está comprendida por las especificaciones de los códigos.
2.8.1. Capacidades de análisis estático Este programa comienza el análisis estático recomendando los casos de carga necesarios para cumplir con el código según las cargas y tuberías ingresadas. En la mayoría de los casos, los estados de carga sugeridos por CAESAR II son necesarios y suficientes pero queda a criterio del proyectista el agregado o eliminación de otros. El análisis estático se usa para estudiar la respuesta a cargas cuyas magnitudes permanecen constantes en un período de tiempo relativamente largo. Las opciones de cargas estáticas en CAESAR II son gravedad (peso muerto), térmica, presión, viento y terremoto. No obstante, el terremoto no es una carga estática, pero puede considerarse como una carga estática equivalente por simplicidad.
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Esta habilidad de realizar combinaciones algebraicas de desplazamientos, fuerzas y stress le permite al proyectista construir sus propios casos de cargas para casos específicos.
Figura 2.8. Ejemplo de análisis estático con CAESAR II.
2.8.2. Capacidades de análisis dinámico Un análisis dinámico en CAESAR II comienza con la especificación de los datos dinámicos de entrada tales como acumulación de masas, vibraciones observadas, restricciones, etc. En el análisis dinámico, CAESAR II se basa a través del proceso de especificación y adquisición de los datos necesarios para el análisis dinámico. Las capacidades de análisis dinámico incluyen: •
Análisis modal y cálculo de frecuencias naturales.
•
Evaluación de excitaciones por fuerzas harmónicas y desplazamientos.
•
Animación de la respuesta dinámica del sistema.
•
Combinación de cargas dinámicas y estáticas.
•
Análisis de cargas por impacto.
•
Análisis de espectro para cargas de impacto, sismo y excitaciones por movimientos independientes de los soportes.
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•
Cálculos de cargas por empuje y aumento de presiones por válvulas de alivio.
•
Interfase con programas de cálculos hidráulicos. (LIQT, PIPENET)
Figura 2.9. Ejemplo de análisis dinámico con CAESAR II.
2.8.3. Capacidades de salida •
Los módulos de salida de CAESAR II proveen una gran facilidad interactiva.
•
La selección de casos de carga, diseño de encabezados, y reportes posibilitan visualizar lo que realmente interesa al destinatario del informe, con los resultados.
•
La salida gráfica muestra desplazamientos, fuerzas, momentos, stress y animaciones dando un informe visual completo del comportamiento de la tubería.
•
El avanzado sistema interactivo de CAESAR II permite analizar, modificar y chequear un sistema de tuberías antes de ser impreso ahorrando tiempo y dinero.
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CAPITULO III
MARCO METODOLÓGICO
3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN La investigación a desarrollar es del tipo descriptiva debido a que fue necesario detallar, establecer y analizar los esfuerzos a los que estará sometida la línea 200-STL-38-749-K, igualmente establecer los parámetros operacionales de la línea de la tubería antes mencionada. Al respecto Fidias Arias (1997), expresa que: “consiste en la caracterización de un hecho, fenómeno, individuo o grupo, con el fin de establecer su estructura o comportamiento”. Igualmente se considera del tipo documental, puesto que se recopilará información de manuales, planos y normas que ayuden a solucionar los objetivos propuestos en esta investigación, además obtener y revisar los datos obtenidos del programa CAESAR II. Arias (1997), define que “la investigación documental se basa en obtención y análisis de datos provenientes de material impreso u otros tipos de documentos”.
3.2. DISEÑO DE INVESTIGACIÓN El diseño de esta investigación es de campo, ya que algunos datos necesarios para el estudio fueron obtenidos en el área 38 de CVG Bauxilum. Al respecto AnderEgg (1998), indica que “la investigación de campo es aquella que se realiza en
38
contacto directo con la comunidades o grupo de personas que son motivos de estudio”.
3.3. POBLACIÓN Y MUESTRA Para la obtención de la información que permitió estudiar la línea de vapor vivo, 200-STL-38-749-K del área 38 de CVG Bauxilum, se utilizó como población esta misma para llevar a cabo la investigación. La muestra igualmente está representada por la línea de vapor mencionada anteriormente.
3.4. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS Las técnicas de recolección de datos aplicadas en la presente investigación permitirán la obtención de la información y de los datos necesarios para llevar a cabo el presente estudio, entre ellas tenemos:
3.4.1. Entrevistas Se realizaron entrevistas no estructuradas a los Ingenieros y personal relacionados con el funcionamiento de la línea 200-STL-38-749-K, con el fin de obtener información sobre las raíces del problema. Según Fidias Arias (1997) define la entrevista como “más que un simple interrogatorio, es una técnica basada en un dialogo o conversación “cara a cara”, entre el entrevistado y el entrevistador acerca de un tema previamente determinado, de tal manera que el entrevistador pueda obtener la información requerida” (p.73)
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3.4.2. Revisión documental La revisión de documentos, manuales y planos, para realizar la recolección de datos e información relacionada con el trabajo en cuestión, como: diseño, ubicación, parámetros de funcionamiento de las líneas de tuberías. Según la universidad Abierta Nacional (1992) la define como “el estudio de documentos tomando en cuenta todos aquellos documentos bajo una forma de relativa permanencia, puede servir para suministrar o conservar una información. Entre estos documentos se encuentra la bibliografía, gráficos y visuales” (p.54).
3.4.3. Observación directa: La observación directa se realizo con un recorrido por el área 38, en donde se reviso el recorrido de la línea, soportes y elementos de la línea. Además se procedió a la toma de datos como las medidas del diámetro y longitud de la misma, datos necesarios para la realización de los planos. Al respecto Fidias Arias (1997) define: “la observación es una técnica que consiste en visualizar o captar mediante la vista, en forma sistemática, cualquier hecho, fenómeno o situación que se produzca en la naturaleza o en la sociedad, en
función de unos objetivos de investigación
preestablecido”.
3.5. PROCEDIMIENTO El análisis de esfuerzos en la tubería vapor vivo (Línea 200-STL-38-749-K) del área 38, se llevo a cabo de la siguiente manera: 1. Estudio del Sistema de Gestión de Calidad de C.V.G. Bauxilum (Misión, Visión, Política de Calidad, Objetivos de Calidad, Organigrama Estructural, Normas y Procedimientos).
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2. Estudio del Sistema de Gestión de Calidad de la Gerencia de Proyecto e Ingeniería (Misión, Visión, Objetivos de Calidad, Organigrama Estructural, Indicadores de Gestión, Procedimientos y Prácticas Administrativas). 3. Estudio del proceso de producción de alúmina (Bayer) de C.V.G. Bauxilum. 4. Estudio del proceso del área 38 de C.V.G. Bauxilum. 5. Visita a la planta para familiarizarse con el proceso. 6. Búsqueda de información relacionada con el trabajo en cuestión, (planos, normas de C.V.G. Bauxilum, condiciones de trabajo de las tuberías y software de flexibilidad en tuberías). 7. Realizar planos isométricos de la tubería de vapor vivo (Línea 200-STL-38749-K), que permitan identificar con exactitud las dimensiones de las tuberías, así como también, los accesorios y conexiones que pertenecen al recorrido de dicha línea de tubería. 8. Ingresar información al programa de análisis de esfuerzos en tuberías obtenida de la tubería de vapor vivo (Línea 200-STL-38-749-K). 9. Correr programa de análisis de esfuerzos en la tubería de vapor vivo (Línea 200-STL-38-749-K) del área 38. 10. Realizar informe del Análisis de esfuerzos en la tubería de vapor vivo (Línea 200-STL-38-749-K), del área 38. 11. Realizar informe de pasantías.
41
12. Entrega del trabajo.
42
CAPITULO IV
RESULTADOS
4.1. CONSIDERACIONES TOMADAS EN EL ANÁLISIS. 1. Se realizó un análisis de forma analítica el cual se verificó con el software Caesar II y posteriormente se realizaron los cálculos restantes del análisis de flexibilidad de las líneas de tubería. 2. Se analizó la tubería 200-STL-38-749-K de vapor a baja presión del área 38 que entra al intercambiador de calor E-38-1. 3. Todo lo referente a la identificación de las líneas de tubería, designación y clases de servicio se obtuvieron de las especificaciones de diseño DS-008. Sistema de designación de servicios; DS-010. Sistema de numeración de líneas de tuberías y DS-015. Clase de diseño de tuberías de CVG Bauxilum. 4. La tubería esta hecha de acero al carbono ASTM A-53 Gr. A ó B, son tubos sin costura cuyo diámetro es de 200 mm con Schedule de tubería de 20. 5. El espesor de la tubería es de 6,35 mm, el cual se obtuvo de la especificación de diseño DS-651. Tuberías. Dimensiones y pesos de tuberías de acero de CVG Bauxilum con base en el código ASME B31.3, para Schedule de tubería de 20.
43
6. El factor de corrosión es de 1,6 mm para tuberías con el servicio K, el cual se obtuvo de la especificación general GS-615. Especificación de tuberías. Clase de diseño “K” de CVG Bauxilum con base en el código ASME B31.3. 7. La línea de tubería de estudio esta sometida a una presión de 8 Bar (800 Kpa) y a una temperatura promedio de 230 °C, estos datos se obtuvieron de las especificaciones técnicas del proyecto. 8. Para el material de la tubería es A-53 Grado A, seleccionado del código ASME B31.3 se tiene un esfuerzo permisible básico de 16 Kpsi (110,32 Mpa) para un rango de temperaturas que va de 100 ºF (37,78 °C) a 500 ºF (260 °C). 9. El material del aislamiento de la tubería es fibra mineral de vidrio preformada (Conchas) con un espesor de 50 mm y una densidad de 0,0001 kg/cm3; dichos datos se ubicaron en las especificaciones de diseño DS-668. Espesores generales para aislamiento de CVG Bauxilum con base en el código ASME B31.3. 10. El fluido que recorre las tuberías es vapor a baja presión (vapor vivo), y tiene una densidad de 3,7 Kg/m3 tomada de los reportes diarios de operación del área. 11. En el programa CAESAR II se utilizó la opción de diseño “Análisis Estático”, que comprende, análisis de cargas operativas, análisis de cargas térmicas y análisis de carga sostenidas. 12. El recorrido y los accesorios de la línea de tubería se obtuvieron por medición, visualización directa e información extraída de planos en CVG Bauxilum.
44
4.2. PLANOS UTILIZADOS
Tabla 4.1. Planos Isométricos. Num. Plano
Descripción del plano
9700/0.49:6/008
Preparación de Licor de Limpieza. Línea 200-STL-49-P007-K Desde: Línea LINEA 250-STL-39-121-K Hasta: Intercambiador E-49-1. Isométrico.
9700/0.49:6/021
Preparación de Licor de Limpieza. Línea 200-STL-49-P007-K Desde: Línea LINEA 250-STL-39-121-K Hasta: Intercambiador E-49-1. Isométrico.
Tabla 4.2. Diagramas Num. Plano
Descripción del plano
11000/0.38:0/200
Circuito de limpieza química. Desde el tanque T-38-1 hacia el área 39. Diagrama de flujo.
11600/0.38:6/200
Circuito de limpieza química. Desde el tanque T-38-1 hacia el área 39. P&I Diagrama.
4.3. CALCULO ANALÍTICO DE LOS ESFUERZOS EN TUBERÍAS
4.3.1. Esfuerzos por Presión Variables a utilizar: •
P = Presión interna de diseño.
•
S = Esfuerzo admisible básico de diseño.
•
D = Diámetro externo de la tubería.
45
•
R1= Radio de curvatura de codos o tuberías dobladas.
•
t = Espesor de pared de la tubería.
•
C= La suma de las factores de corrosión y erosión.
•
E = Factor de calidad de fundición. Para accesorios y líneas de tuberías según el párrafo 302.3.3 del código ASME B31.3 es de 0,8.
•
Y = Coeficiente que depende del material y de la temperatura. De la tabla 304.1.1 del código ASME B31.3 se tiene que es de 0,4.
4.3.1.1. Esfuerzo circunferencial Debido a la presión interna. La presión del fluido dentro de la tubería produce un esfuerzo circunferencial σp que ocasiona un aumento en el diámetro de la tubería.
Se tiene que
D 219,1 D = = 36,52 , lo cual permite afirmar que t < , por ello 6 6 6
de acuerdo al código ASME B31.3 sección 304.1.2, el espesor de diseño mínimo para la presión interna no tiene que ser menor que t =
PD , 2(SE + PY )
despejando y tomando S = σ p , tenemos:
σp =
P⎛D ⎞ ⎜ − Y⎟ E ⎝ 2t ⎠
⎛ 219,1 mm ⎞ ⎜⎜ − 0,4 ⎟⎟ ⎝ 2 * 6,35 mm ⎠ lb Kg σ p = 168,52 = 2436,63 2 2 cm in σp =
8 Kg cm 2 0,8
Para que la tubería no falle por presión, se debe cumplir que, σ p < S , se verifica entonces:
46
σ Lp < S 2436,63
lb lb < 16000 2 2 in in
4.3.1.2. Esfuerzos Longitudinales debido a la presión interna. Según el código ASME B31.3 el espesor de tubería para los cálculos de los esfuerzos longitudinales debe ser el espesor nominal T menos el factor de corrosión y erosión permisibles C. Las cargas debido al peso deben estar basadas en el espesor nominal de todos los componentes del sistema a menos que se realice un análisis más riguroso que lo justifique. 4.3.1.2.1. Tuberías Rectas. La presión del fluido dentro de la tubería produce un esfuerzo longitudinal σ Lp
que produce un aumento en la longitud de la misma. Escribiendo la
ecuación de equilibrio de fuerzas en la dirección longitudinal se tiene:
P
πD 2 PD = σ Lp πDt ; despejando; σ Lp = 4 4t
El código ASME B31.3 establece que debe usarse como espesor t – tc, así como también establece que tc es igual a 0,7t. Luego:
σ Lp
8 Kg/cm 2 * 21,91cm PD = = 4 (t - t c ) 4(0,635 − (0,7 * 0,635))
σ Lp = 230,03 Kg cm 2
47
4.3.1.2.2. Codos y Curvas. Según el código ASME B31.3 Sección 304.2.1 el espesor mínimo requerido tm de una curva, tiene que ser determinado de acuerdo a:
tm − C =
PD 2[(SE I ) + PY ]
I=
4(R 1 D ) − 1 ; Para Intrados (Ver Figura Nº 4.1) 4(R 1 D ) − 2
I=
4(R 1 D ) + 1 ; Para Extrados (Ver Figura Nº 4.1) 4(R 1 D ) + 2
Figura 4.1. Diagrama de Codo Despejando S y tomando en consideración que para t m = t , se debe tomar S como σ Lp , se obtiene:
48
σ Lp =
⎤ I ⎡ PD − PY ⎥ ⎢ E ⎣ 2(t − C ) ⎦
• Para intrados:
I=
4(R 1 D ) − 1 4(R 1 D ) − 2
4(300 mm 219,1 mm ) − 1 4(300 mm 219,1 mm ) − 2 I = 1,2876 I=
σ Lp
(
)
⎤ 1,2876 ⎡ 8 Kg cm 2 (21,91 cm ) − 8 Kg cm 2 0,4⎥ ⎢ 0,8 ⎣ 2(0,635 − 0,16 )cm ⎦ Kg = 291,81 2 cm
σ Lp =
(
)
• Para extrados:
I=
4(R 1 D ) + 1 4(R 1 D ) + 2
4(300 mm 219,1 mm ) + 1 4(300 mm 219,1 mm ) + 2 I = 0,8663 I=
σ Lp
(
)
⎤ 0,8663 ⎡ 8 Kg cm 2 (21,91 cm ) − 8 Kg cm 2 0,4⎥ ⎢ 0,8 ⎣ 2(0,635 − 0,16 )cm ⎦ Kg = 196,32 cm 2
σ Lp =
(
49
)
Se concluye que el esfuerzo longitudinal debido a la presión interna en codos es σ Lp = 291,81
Kg . cm 2
4.3.1.2.3. Conexiones de Ramal (Te). El código ASME B31.3, establece que el espesor mínimo requerido para presión interna debe ser calculado de acuerdo a la ecuación t =
PD , 2(SE + PY )
recordando de acuerdo a lo que el código establece para cálculos de esfuerzos longitudinales se debe tomar como espesor el espesor nominal T menos el factor de corrosión C, entonces sustituyendo, despejando y tomando S = σ Lp , obtenemos: ⎡ D ⎤ ⎢ 2(t − C ) − Y ⎥ ⎣ ⎦
σ Lp =
P E
σ Lp =
8 Kg cm 2 0,8
σ Lp = 226,63
21,91 cm ⎡ ⎤ ⎢ 2(0,635 − 0,16 )cm − 0,4⎥ ⎣ ⎦
Kg cm 2
4.3.2. Esfuerzos por cargas sostenidas. Los esfuerzos por cargas sostenidas son aquellos esfuerzos longitudinales producidos por la presión, el peso de la tubería, su contenido, el aislante y otras cargas de gravedad tales como el peso de las válvulas, bridas, filtros, etc. Variables a utilizar: •
ii = Factor de intensificación de esfuerzos (in-plane).
50
•
io = Factor de intensificación de esfuerzos (out-plane).
•
Mi = Momento Flector (in-plane).
•
Mo= momento Flector (out-plane).
•
Z = Modulo de la sección transversal de la tubería.
•
D = Diámetro Exterior de la tubería.
•
d = Diámetro Interior de la tubería.
•
t = Espesor nominal de la tubería.
•
h = Característica de flexibilidad.
•
r2 = valor medio entre el radio exterior e interior de la sección del tubo.
•
Zv = Módulo de sección efectivo para el ramal de te.
•
rm = Radio medio de la sección transversal del ramal de te.
•
ts = Valor menor entre t h y i o * t b
•
th = Espesor de la tubería que se une al cabezal de la te.
•
tb = Espesor de la tubería que se une al ramal de la te.
El peso de la tubería y de otras cargas concentradas genera en cada sección transversal de la tubería momentos flectores Mi y Mo, un ejemplo se muestra en la figura 4.2.
Figura 4.2. Diagrama de momentos en tubería.
51
Para el cálculo de los momentos se considera la tubería en la sección crítica de estudio mostrada en la figura 4.3.
Figura 4.3. Sección de tubería
52
Se considera esta como sección critica de estudio debido a que es donde están los accesorios que deben soportar el mayor peso muerto. En la tabla N° 4.3 se presentan los momentos que se originan producto de las cargas por gravedad (Peso de tubería, aislante, válvulas y accesorios).
Tabla 4.3. Momentos Productos de las Cargas de Gravedad NODO Mx (Kg*cm) My (Kg*cm) 562,88 -1374,58 20 -562,88 1374,58 28 407,89 -1187,97 29 -163,15 735,22 30 69,34 -398,71 38 -63,22 -54,04 39 113,19 241,67 40 -113,19 -241,67 50 -29,57 -67,30 60 25,49 67,30 70 -23,45 -67,30 78 22,43 67,30 79 -21,41 -65,26 80 21,41 62,20 90 -21,41 -61,18 100 21,41 56,08 110 -21,41 -55,06 120 -21,41 -50,99 130 21,41 47,93 140 -21,41 -45,89 150 113,19 240,65 160 79,54 193,75 170 79,54 178,45 180 -79,54 -174,37 190 -113,19 -240,65 200 113,19 240,65 210 -115,23 -240,65 218 -385,45 239,63 219 1413,33 -239,63 220
Mz (Kg*cm) -2051,67 -353,84 839,23 -858,60 765,81 -493,54 -94,83 -7801,85 6281,45 -5093,48 4473,50 296,74 -10990,50 -1793,68 5512,59 -12372,22 11942,92 9733,19 -2434,06 -4885,46 4304,22 693,41 -3806,60 -2096,54 2361,66 -2362,68 2379,00 -2380,02 2380,02
El código ASME B31.3 Sección 319.4.4 (b) establece que los esfuerzos producidos por los momentos flectores Mi y Mo, tienen que ser calculados por la siguiente ecuación:
53
σ Lg =
(i i . M i ) 2 + (i 0 . M 0 ) 2 Z
4.3.2.1. Codos. Del apéndice D del código antes mencionado para codos se tiene que los factores de intensificación de esfuerzos viene dada por:
• Out-Plane: i o = • In-Plane: i i =
0,75 h2 3
0,9 h2 3
• Característica de flexibilidad: h = •
r2 = R 1 − R int −
t *R1 r22
t 2
Figura 4.4. Medidas del codo π ⎛⎜ D 4 − (D − 2t ) 32 ⎜⎝ D
4
El modulo de sección es Z =
Entonces:
Z=
π ⎛⎜ 21,914 − (21,91 − (2 * 0,635)) 32 ⎜⎝ 21,91
Z = 219,39 cm 3
54
4
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
r2 = 30 − 19,045 −
0,635 2
r2 = 10,6375 cm
0,635 * 30
h=
(10,6375 )2
h = 0,1684
ii =
0,9
(0,1684)2 3
i i = 2,9519
io =
0,75
(0,1684)2 3
i o = 2,4594
Se presentan los resultados para los codos estudiados en la tabla N° 4.4.
Tabla 4.4. Esfuerzos por Cargas Sostenidas en Codos. NODO 28 30 38 40 78 80 218 220
ii
2,9519
Mi (Kg*cm) -562,8833 -858,6011 765,8069 113,1885 4473,4950 -10990,5013 -115,2279 1413,3267
io
2,4594
Mo (Kg*cm) -353,8415 -163,1546 69,3407 -94,8336 -23,4535 -21,4140 2378,9979 2380,0176
Z (cm3)
σLg (Kg/cm2)
219,39
8,5495 11,6964 10,3332 1,8573 60,1916 147,8778 26,7140 32,7638
4.3.2.2. Tes. Del apéndice D del código antes mencionado para tés se tiene que los factores de intensificación de esfuerzos viene dada por:
55
• Out-Plane: i o =
0,9 h2 3
3 4
• In-Plane: i i = i o +
1 4
• Característica de flexibilidad: h = 3,1 •
D−t 2
r2 =
r2 = 10,6375 cm ,
Calculando tenemos que, i i = 2,3286
Para el cabezal:
σ Lg = Z=
t r2
(i i . M i ) 2 + (i 0 . M 0 ) 2 Z
π ⎛⎜ D 4 − (D − 2t ) 32 ⎜⎝ D
4
⎞ ⎟ = 219,39 cm 3 ⎟ ⎠
Para el ramal:
σ Lg =
(i i . M i ) 2 + (i 0 . M 0 ) 2 Zv
Z v = π rm2 t s = 225,74 cm 3
rm =
D−t = 10,6375 cm 2
t h = 0,635 cm i o * t b = 2,7715 * 0,635 cm = 1,7599 cm t s = 0,635 cm
56
h = 0,1851 ,
i o = 2,7715 ,
Se presentan los resultados para las tés estudiados en la tabla N° 4.5.
Tabla 4.5. Esfuerzos por Cargas Sostenidas en Tés. NODO CONDICIÓN 50 140 150 160 170 190
CABEZAL RAMAL CABEZAL CABEZAL RAMAL RAMAL
Mi (Kg*cm) -7801,85 -2434,06 -4885,46 2,3286 4304,22 693,41 -2096,54 ii
io
2,7715
Mo (Kg*cm) -113,19 47,93 -21,41 113,19 193,75 -174,37
Z (cm3)
Zv (cm3)
219,39 225,74
σLg
(Kg/cm2) 82,82 25,12 51,85 45,71 7,54 21,73
4.3.3. Esfuerzos Longitudinales. Según el código ASME B31.3 la suma de los esfuerzos longitudinales en cualquier componente de un sistema de tuberías, debido a la presión, peso y cualquier otra carga sostenida σL no tiene que exceder el esfuerzo permisible básico a la máxima temperatura del metal esperada durante el ciclo de desplazamiento bajo análisis Sh. Para aceros al carbono fundidos, el esfuerzo permisible básico a la máxima temperatura del metal esperada durante el ciclo de desplazamiento bajo análisis Sh se obtiene multiplicando el esfuerzo básico permisible por el factor de calidad de fundición E. Los esfuerzos longitudinales σ L vienen dados por la suma de los esfuerzos longitudinales debido a la presión interna σ Lp más los esfuerzos longitudinales debido a cargas sostenidas σ Lg .
En la tabla N° 4.6 se presentan los resultados para los esfuerzos longitudinales para codos.
57
Tabla 4.6. Esfuerzos Longitudinales en Codos. NODO σLg (Kg/cm2) 28 8,55 30 11,70 38 10,33 40 1,86 78 60,19 80 147,88 218 26,71 220 32,76
σLp (Kg/cm2)
σL (Kg/cm2)
291,81
300,36 303,51 302,14 293,67 352,00 439,69 318,52 324,57
En la tabla Nº 4.7 se presentan los resultados para los esfuerzos longitudinales para tés.
Tabla 4.7. Esfuerzos Longitudinales en Tés. NODO σLg (Kg/cm2) σLp (Kg/cm2) 82,82 50 25,12 140 51,85 150 226,63 45,71 160 7,54 170 21,73 190
σL (Kg/cm2) 309,45 251,75 278,48 272,34 234,17 248,36
4.4. ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD EN TUBERÍAS CON LA APLICACIÓN DEL SOFTWARE CAESAR II. El CAESAR II es un software de análisis de esfuerzos que en la sección de análisis de esfuerzo de tuberías utiliza el código ASME B31.3 revisión del 31 de Agosto del 2.001, mismo este que ha sido utilizado para los cálculos analíticas en este proyecto. Este software permite verificar los cálculos debido a cargas de operación, cargas terminas y cargas sostenidas.
58
4.4.1. Análisis del arreglo planificado (en planos). En las figuras 4.5.1 a la 4.5.7 se presenta el ruteo de la tubería estudiada en este caso, en secciones, mostrando los nodos.
Figura 4.5.1 Sección 1.
Figura 4.5.2. Sección 2.
59
Figura 4.5.3. Sección 3.
Figura 4.5.4. Sección 4.
60
Figura 4.5.5. Sección 5.
Figura 4.5.6. Sección 6.
61
Figura 4.5.7. Sección 7. En base a los resultados para el calculo de esfuerzo debido a cargas sostenidas arrojados por el programa se obtienen los desplazamientos Dx, Dy, Dz, los cuales servirán para calcular el desplazamiento total en cada nodo, esto se realiza de acuerdo a la ecuación D t = D 2x + D 2y + D 2z y los resultados se muestran en la figura 4.6.
Figura 4.6. Desplazamientos
62
En la figura 4.6 vemos que el valor máximo de desplazamiento es 96,15 mm y ocurre en el nodo 229 de este arreglo. En la tabla Nº 4.8 se muestra el resumen de esfuerzos que cálculo el programa CAESAR II con base en el código ASME B31.3.
Tabla 4.8. Esfuerzos Calculados por el CAESAR II. CODE STRESS CHECK PASSED PIPING CODE: B31.3 -1999, August 31, 2001 Esfuerzos Máximos Kpa Kg/cm2 Esfuerzos del Código --Esfuerzos de Flexión 95940,1 978,3 Esfuerzo de Torsión 9487,1 96,7 Esfuerzo Axial 10732,2 109,4 Esfuerzos de Hoop 17648,3 180,0 Máxima Intensidad 3D 103775,1 1058,2
% 94,07 ------
Nodo 198 198 180 38 38 198
4.4.2. Análisis del arreglo fabricado (Existente). En las figuras 4.7.1 a la 4.7.6 se presenta el ruteo de la tubería estudiada en este caso, en secciones, mostrando los nodos.
Figura 4.7.1. Sección 1.
63
Figura 4.7.2. Sección 2.
Figura 4.7.3. Sección 3.
64
Figura 4.7.4. Sección 4.
Figura 4.7.5. Sección 5.
65
Figura 4.7.6. Sección 6. En base a los resultados para el calculo de esfuerzo debido a cargas sostenidas arrojados por el programa se obtienen los desplazamientos Dx, Dy, Dz, los cuales servirán para calcular el desplazamiento total en cada nodo, esto se realiza de acuerdo a la ecuación D t = D 2x + D 2y + D 2z y los resultados se muestran en la figura 4.8.
Figura 4.8. Desplazamientos
66
En la figura 4.8 vemos que el valor máximo de desplazamiento es 3,2722 mm y ocurre en el nodo 269. En la tabla Nº 4.9 se muestra el resumen de esfuerzos que cálculo el programa CAESAR II con base en el código ASME B31.3.
Tabla 4.9. Esfuerzos Calculados por el CAESAR II. CODE STRESS CHECK PASSED PIPING CODE: B31.3 -1999, August 31, 2001 Esfuerzos Máximos Kpa Kg/cm2 Esfuerzos del Código --Esfuerzos de Flexión 19223,8 196,03 Esfuerzo de Torsión 700,2 7,14 Esfuerzo Axial 9637,1 98,27 Esfuerzos de Hoop 17648,3 179,96 Máxima Intensidad 3D 27887,7 284,38
% 25,25 ------
Nodo 250 250 230 155 28 250
En la figura 4.9 se muestran las líneas de deformación debido a las cargas sostenidas, esta imagen fue obtenida de una animación que permite visualizar el efecto de las cargas sostenidas en el tiempo.
Figura 4.9. Líneas de deformación de la tubería.
67
4.4.3. Comparación entre ambos arreglos En la figura 4.10 se muestra una gráfica comparativa del desplazamiento total para el arreglo planificado (en planos) y para el arreglo elaborado (existente) en la cual se puede observar que el diseño elaborado ofrece menores desplazamiento en un gran rango de diferencia.
Figura 4.10. Comparación de Desplazamientos En las tablas Nº 4.8. y Nº 4.9. se presenta el valor porcentual de esfuerzo del código que no es mas que la relación entre el esfuerzo calculado para análisis de flexibilidad de acuerdo al código ASME B31.3 y el esfuerzo permisible del material, donde se muestra que para el arreglo planificado es de 94,07 %, mientras que para el arreglo fabricado es de 25,25 %, lo cual indica que existen menores posibilidades de falla en el arreglo fabricado que en el planificado.
68
4.5. RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS ¾ Los resultados obtenidos de forma analítica demuestran y comprueban que los esfuerzos generados por la presión y los generados por el peso de no exceden el valor de esfuerzo permisible del código ASME B31.3 que es de 899,93 Kg/cm2. ¾ Los resultados obtenidos de forma analítica concuerdan con los obtenidos utilizando el software:
Tabla 4.10. Comparación de los resultados obtenidos con el software y los obtenidos de forma analítica de la línea de tubería 200-STL-38-749-K En Conformidad Con El Código ASME B31.3
Forma Analítica
D
En No Conformidad Con El Código ASME B31.3
Software Caesar II
D
U
Cálculos
U
¾ El desplazamiento y los esfuerzos en la línea de tubería del arreglo planificado exceden los obtenidos en el arreglo fabricado. ¾ Los esfuerzos máximos en el caso de operación de la línea de tubería con el arreglo fabricado (existente) están por debajo del esfuerzo admisible del código ASME B31.3. Entiéndase por esfuerzos de operación los esfuerzos que se producen en la tubería cuando en ella actúan la presión, la temperatura y el peso de la misma. Esfuerzo calculado 857,95
Esfuerzo permisible
Kg Kg < 2714 2 2 cm cm
69
¾ Los esfuerzos máximos por cargas sostenidas de la línea de tubería con el arreglo fabricado (existente) están por debajo del esfuerzo admisible del código ASME B31.3. Entiéndase por caso sostenidas a los esfuerzos que se producen cuando en la tubería actúa la presión, el peso de la tubería, el peso del aislante, el peso del fluido y el peso de los accesorios y conexiones. Esfuerzo calculado 284,38
Esfuerzo permisible
Kg Kg < 899,93 2 2 cm cm
¾ Los esfuerzos máximos por expansión térmica de la línea de tubería con el arreglo fabricado (existente) están por debajo de los esfuerzos admisibles del código ASME B31.3. Entiéndase por esfuerzos de expansión térmica a los producidos por efecto de las contracciones y/o expansiones producto de los diferenciales de temperatura. Esfuerzo calculado 866,58
Esfuerzo permisible
Kg Kg < 2714 2 2 cm cm
70
CONCLUSIONES ¾ Los resultados de los cálculos analíticos se mantuvieron en concordancia con los resultados obtenidos del software, lo que indica que existe una base lógica, efectiva y confiable para la ejecución de un análisis de flexibilidad de tuberías basándose en cualquiera de los software que hoy en día existen para desempeñar esta labor. ¾ Los resultados obtenidos, demuestran que en lo referente al análisis de flexibilidad, todos los esfuerzos están por debajo del esfuerzo admisible del Código ASME B31.3. ¾ Los esfuerzos obtenidos en los cálculos del análisis de flexibilidad para el arreglo de tuberías fabricado (existente), no superan un porcentaje de 30% del esfuerzo permisible. ¾ El arreglo de tubería planificado (en planos) de la línea 200-STL-38-749-K a pesar de estar dentro de los límites de esfuerzo del código ASME B31.3 no es un diseño óptimo pues los esfuerzos máximos están en un 94,07% del esfuerzo permisible, es decir, solo a un 5,93% de fallar. ¾ El arreglo de tubería elaborado (existente) de la línea 200-STL-38-749-K ofrece un diseño adecuado pues se encuentra en un 25,25% del esfuerzo permisible, dejando en prueba que las fugas originadas no son debida a exceso o concentración de esfuerzos.
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RECOMENDACIONES ¾ Verificar el apriete de los pernos de las bridas, para garantizar que sea el requerido para evitar las fugas que puedan ocurrir en estas. ¾ Comprobar que las empacaduras de las bridas estén en buen estado y cumpliendo con su función de sellado. ¾ Realizar una inspección a las soldaduras por las zonas cercanas a donde se presentan las fugas. ¾ Inspeccionar que el aislante se halle en estado adecuado y este cumpliendo su misión de mantener los rangos de temperaturas permisibles y no permitir la interacción ambiente-tubería. ¾ Mantener un registro de intervalo de tiempo entre fugas, en donde también se especifique en la medida de lo posible las condiciones de temperatura del medio ambiente, la presión interna en operación de la tubería, la temperatura del fluido, la densidad, el lugar especifico de la fuga, entre otros parámetros que permitan intentar dar explicación y solución a esta falla.
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BIBLIOGRAFÍA ¾ Megyesy, Eugene F. (1998). Manual de Recipientes a Presión. Diseño y Cálculo. México: Editorial Limusa. ¾ Kannappan, Sam. Introduction to pipe stress analysis. Knoxville, Tennessee: Tennessee Valley Authority. ¾ Código ANSI / ASME B31.3. 2002 Edition ¾ C.V.G. Bauxilum C.A. Operadora de alúmina (2004). Especificaciones de diseño DS-008. Sistema de designación de servicios. Ciudad Guayana, Venezuela. ¾ C.V.G. Bauxilum C.A. Operadora de alúmina (2004). Especificaciones de diseño DS-015. Clases de diseño de tuberías. Ciudad Guayana, Venezuela. ¾ C.V.G. Bauxilum C.A. Operadora de alúmina (1994). Especificaciones generales GS-615. Especificación de tubería clase de diseño K. Ciudad Guayana, Venezuela. ¾ C.V.G. Bauxilum C.A. Operadora de alúmina (1992). Especificaciones de diseño DS-668. Aislamiento de tuberías. Ciudad Guayana, Venezuela. ¾ C.V.G. Bauxilum C.A. Operadora de alúmina (1992). Especificaciones de diseño DS-651. Dimensiones de tubos de acero. Ciudad Guayana, Venezuela. ¾ Bauxilum (2005) (Pagina Web en línea). Disponible: http://www.bauxilum.com
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Anexos
Planos Arreglo Planificado
Planos Arreglo Elaborado
