PDVSA MDP-01-DP-01 TEMPERATURA Y PRESION DE DISEÑO

PDVSA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

PDVSA N°

MDP–01–DP–01

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NOV.95

REV.

FECHA

APROB.

E1994

TITULO

TEMPERATURA Y PRESION DE DISEÑO

30 DESCRIPCION FECHA

PAG. REV. APROB.

APROB. APROB. FECHA

ESPECIALISTAS

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

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CRITERIOS DE DISEÑO TEMPERATURA Y PRESION DE DISEÑO

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Indice 1 ALCANCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

3 PRINCIPIOS BASICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

4 DEFINICIONES GENERALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

5 TEMPERATURA DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatura de diseño de equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatura de diseño de tuberías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flexibilidad de tuberías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 6 7 14 14

6 PRESION DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Presión de diseño de equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Presión de diseño de tuberías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Especificaciones de materiales de tuberías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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ALCANCES Establecer lineamientos para fijar la temperatura y la presión de diseño de recipientes a presión, tanques de almacenamiento, intercambiadores, equipos.generales y tuberías para nuevas plantas o instalaciones. Definir en forma consistente los variados términos relacionados con presión y termperatura que se usan en el diseño y operación de plantas, con el fin de facilitar la comunicación entre los diferentes ingenieros involucrados.

2

REFERENCIAS Manual de Diseño de Procesos (MDP) 05–E–01 05–E–02 05–E–03 05–E–04 05–E–05 05–S–01 05–S–03 05–S–04 05–S–05

Intercambiadores de Calor: Principios Básicos Intercambiadores de Calor: Procedimientos Intercambiadores de Tubo y Carcaza Intercambiadores de Calor: Procedimiento Enfriadores de Aire Intercambiadores de Calor: Procedimiento Intercambiadores de Doble Tubo Intercambiadores de Calor: Procedimiento Servicios Criogénicos

de Diseño para de Diseño para de Diseño para

Tambores Separadores: Principios Básicos Tambores Separadores, Procedimientos de Diseño: Separadores Líquido–Vapor Tambores Separadores, Procedimientos de Diseño: Separadores Líquido–Líquido Tambores Separadores, Procedimientos de Diseño: Separadores Líquido–Líquido–Vapor

Manual de Ingeniería de Diseño (MID) S Vol. 5 Equipos S Vol. 6 Equipos con Fuego S Vol. 8 Intercambiadores de Calor S S S S S

de Diseño para

Vol. 13–1 H–221 Materiales de Tuberías Vol. 14 Equipos Rotativos Vol. 19 Tanques Vol. 21 Recipientes a Presión Vol. 22 Seguridad en Diseño


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Otras Referencias S API RP 520 Sizing, Selection and Installation of Pressure–Relieving Devices in Refineries; Parts I and II S API RP 521 Guide for Pressure–Relieving and Depressuring Systems S API STD 605 Large–Diameter Carbon Steel Flanges S API STD 620 Design and Construction of Large, Welded, Low–Pressure Storage Tanks S API STD 650 Welded Steel Tanks for Oil Storage S API STD 2000 Venting Atmospheric and Low–Pressure Storage Tanks S ANSI B16.1 Cast Iron Pipe Flanges and Flanged Fittings, Class 25, 125, 250, and 800 S ANSI B16.5 Steel Pipe Flanges and Flanged Fittings S ANSI B16.34 Steel Valves S ASME B31.1 Power Piping (ANSI B31.1) S ASME B31.3 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping (ANSI B31.3) S ASME Code Boiler and Pressure Vessel Code: S Section I, Power Boilers S Section VIII, Pressure Vessels, Divisions 1 and 2

3

PRINCIPIOS BASICOS La temperatura y la presión de diseño de un sistema afectan la seguridad, la confiabilidad y la economía de la planta. La fijación de la temperatura y la presión de diseño influencia o determina el material a utilizar, el espesor del componente, la flexibilidad de la tubería, la disposición de las unidades, los soportes, el aislamiento, la fabricación y las pruebas de los equipos y sistemas de tuberías a ser instalados. La temperatura y la presión de diseño deben ser establecidas de forma tal que sean adecuadas para cubrir todas las condiciones de operación previsibles, incluyendo arranque, parada, perturbaciones del proceso, incrementos planificados en la severidad de operación, diferentes alimentaciones y productos, y ciclos de regeneración, cuando aplica. En muchos diseños, es necesario agregar un incremento de temperatura y presión a las condiciones normales de operación, para cubrir las variaciones de operación. Se deben especificar condiciones alternas de diseño para equipos y tuberías que deban estar sujetos a temperaturas y presiones mayores que las condiciones normales de diseño. Un ejemplo típico de esto es la situación de regeneración de catalizador involucrada en procesos de lecho fijo. Aquí, el reactor y la tubería están sujetos a una temperatura de operación alterna, superior a la temperatura de operación normal, pero a una presión reducida. Diseños en base a lapsos cortos


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o intermedios de tiempo se pueden aplicar solamente a tuberías; para el caso de recipientes a presión o intercambiadores de calor, se deben seguir los códigos y prácticas de diseño apropiados. En general, las condiciones de temperatura y presión de diseño para equipos de planta (recipientes a presión, calderas, tanques, intercambiadores de calor, columnas, reactores, etc.), así como las condiciones generales de diseño para tubería son establecidas durante el desarrollo de la ingeniería básica, por ingeniería de procesos, mientras que la selección del tipo específico de tubería a utilizar se establece de acuerdo a las especificaciones de materiales de tubería que rigen el proyecto, las cuales se basan en la clasificación de presión de las bridas según el tipo de material seleccionado para el manejo de un determinado fluído. En lugar de definir condiciones de diseño separadas para cada uno de los equipos y sistemas de tuberías considerados en un proyecto, normalmente es recomendable definir sistemas que esten expuestos a las mismas condiciones y protegidos por el mismo arreglo de alivio de presión, lo cual permite una definicón común de las condiciones de diseño, resultando en un diseño coherente y de fácil seguimiento durante las fases de ingeniería de detalles, fabricación, construcción y prueba.

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DEFINICIONES GENERALES A continuación se definen algunos términos generales relacionados con el tema de la presente práctica de diseño, para una mayor claridad del texto: Fluido de servicio Según el ASME B31.3, “Fluido de Servicio” es un término general aplicado al diseño de sistemas de tuberías, relacionado con la consideración de la combinación de las propiedades del fluido, las condiciones de operación y otros factores que establecen las bases de diseño del sistema. La clasificación de los servicios es la siguiente: a. Fluido de servicio categoría D Para clasificar un fluido en esta categoría, todos los renglones siguientes deben aplicar: a.1

El fluido considerado es no inflamable, no tóxico e inocuo para los tejidos humanos.


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a.2

La presión manométrica de diseño no excede los 1030 kPa (150 psig), y

a.3

La temperatura de diseño está entre –29 °C (–20 °F) y 186 °C (366 °F).

b. Fluido de servicio categoría M Este es un servicio para el cual el potencial de exposición para las personas es considerado significativo, en el cual, una sola exposición a muy pequeñas cantidades de un fluido tóxico causada por fugas en el sistema, puede producir daño serio e irreversible a las personas, ya sea por inhalación o contacto, aún cuando se tomen medidas correctivas en forma inmediata. c. Fluido de servicio de alta presión Es un servicio para el cual el dueño del proyecto especifica un nivel de alta presión, de acuerdo con el Capítulo IX del ASME B31.3, para el diseño y la construcción de las tuberías. d. Fluido de servicio normal Este es el servicio de la mayor parte de los sistemas de tuberías cubiertos por el ASME B31.3, los cuales no están sujetos a las reglas de los servicios descritos en a, b y c, y que no están sujetos a condiciones cíclicas severas. Fluido inflamable Describe un fluido que en condiciones ambientales o bajo las condiciones de operación previstas es un vapor o produce vapores que pueden iniciar una combustión y continuar con la misma en presencia de aire. El término puede aplicar, dependiendo de las condiciones de servicio, a fluidos definidos para otros propósitos como inflamables o combustibles. Tubería Es un sistema que consta de tubos, bridas, pernos, empacaduras, válvulas, accesorios, juntas de expansión, tensores, juntas giratorias, elementos para soportar tuberías, y aparatos que sirven para mezclar, separar, amortiguar, distribuir, medir y controlar el flujo. El diseño, la fabricación y la construcción de sistemas de tuberías están regulados por códigos, de acuerdo a su uso; los principales códigos aplicables son: ASME/ANSI B31.1 Power Piping ASME/ANSI B31.3 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Tratamiento térmico Es el calentamiento uniforme de una estructura, tubería, o porción de la misma, a una temperatura suficiente para aliviar la mayor parte de la tensión residual, seguido por un enfriamiento uniforme, suficientemente lento para minimizar el desarrollo de nuevas tensiones residuales.


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TEMPERATURA DE DISEÑO 5.1

Generalidades La temperatura de diseño de equipos y sistemas de tuberías se define generalmente como la temperatura correspondiente a la más severa condición de temperatura y presión coincidentes, a la que va a estar sujeto el sistema.De igual importancia en el diseño y las especificaciones mecánicas son la temperatura mínima y, en algunos casos, otras temperaturas extremas que puedan ocurrir a vacío o a bajas presiones de operación. Como todos estos niveles de temperatura de diseño, mínima y de operación extrema, tienen una influencia significativa en el diseño mecánico, en la selección del material, y en la economía de los sistemas considerados, es necesario para los diseñadores considerar cada uno de ellos cuando se especifican las condiciones de diseño. Considerando estos factores, los diseñadores de proceso deben especificar la temperatura de diseño (que representa el máximo límite de temperatura) y la temperatura crítica de exposición (que representa el límite mínimo de temperatura) para todos los sistemas.

5.2

Definiciones Temperatura de operación Es la temperatura de fluido del proceso prevista para la operación normal. Temperatura de operación máxima Es la temperatura más alta del fluido del proceso prevista para las desviaciones esperadas de la operación normal. Esto incluye arranque, despresurización, parada, operaciones alternadas, requerimientos de control, flexibilidad operacional y perturbaciones del proceso. La definición de esta temperatura debe ser considerada individualmente, evaluando las causas que la determinan, y cualquiera que sea el caso determinante, se debe establecer en los documentos de diseño. Temperatura de operación mínima Es la temperatura más baja del fluido del proceso prevista para las desviaciones esperadas de la operación normal. Esto incluye arranque, despresurización, parada, operaciones alternadas, requerimientos de control, flexibilidad operacional y perturbaciones del proceso. L a condición causante de la mínima temperatura de operación debe ser establecida en los documentos de diseño. Temperatura de diseño Es la temperatura del metal que representa las condiciones coincidentes más severas de presión y temperatura. Esta temperatura es utilizada para el diseño mecánico de equipos y tuberías, incluyendo la selección de materiales.. Esta


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temperatura de diseño debe ser al menos 10°C (18°F) superior a la temperatura de operación máxima, pero en ningún caso inferior que la máxima temperatura en casos de emergencia, como falla de servicios, bloqueo de operación, falla de instrumentos, etc. La temperatura de diseño de equipos y sistemas protegidos por válvulas de alivio, debe ser al menos la máxima temperatura coincidente con la presión de ajuste de la válvula de alivio respectiva. Temperatura crítica de exposición (TCE) Es la mínima temperatura de metal a la cual un componente estará sujeto, para una presión mayor al 25 por ciento de la presión de diseño. Esto normalmente ocurre en los arranques y está basado en las condiciones mínimas del ambiente, a menos que ocurra una temperatura de operación más baja. La TCE debe ser al menos tan baja como la temperatura de operación mínima. Temperatura mínima de prueba hidrostática Es la temperatura más baja a ser utilizada para el agua en una prueba hidrostática. Debería ser 6°C (11°F) más que la TCE para componentes con espesores iguales o menores de 50 mm (2 pulg), y al menos 17°C (31°F) más que la TCE para componentes con espesores mayores de 50 mm (2 pulg.).

5.3

Temperatura de diseño de equipos La temperatura de diseño de los equipos a presión o a vacío se determina estableciendo las condiciones más severas, simultáneas, de temperatura y presión que ocurrirán en cualquier fase de las operaciones del proceso. Esta temperatura se usa en el diseño mecánico para establecer los niveles de esfuerzo de diseño y determinar los espesores mínimos del metal que se requieren para satisfacer los códigos u otros criterios mecánicos.

5.3.1

Equipos a temperaturas mayores que el ambiente El incremento de temperatura utilizado para cubrir las variaciones de operación para temperaturas de diseño hasta 400°C (752°F) no tiene restricciones cuando el material es acero. La relación entre el esfuerzo permisible y la temperatura de diseño es lineal para el acero y el incremento de costo es aproximadamente lineal dentro de este rango de temperatura. En este rango de temperatura se agrega normalmente un incremento de 28°C (50°F) a la temperatura de operación a fin de establecer la temperatura de diseño, cuando no se tiene una temperatura de operación máxima superior a la de operación normal. A temperaturas superiores a 400°C (752°F), el esfuerzo permisible disminuye abruptamente y el costo aumenta rápidamente. Para estas temperaturas superiores se deben considerar alternativas económicas como la del aislamiento


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interno de los equipos o aleaciones especiales de acero. Además, el costo de algunos equipos o unidades se puede minimizar con una selección cuidadosa de la presión y/o temperatura de diseño. Por ejemplo, la presión y la temperatura de diseño no se deben fijar arbitrariamente a un nivel alto, tal que se requiera una clase siguiente superior de tubería o un material más costoso. A continuación se presentan algunos factores que afectan la determinación de la temperatura de diseño para varios tipos de equipo, mencionando las prácticas comunes para definir la misma: Recipientes a presión 1. Aislamiento – Muchos recipientes tienen aislamiento térmico para prevenir las pérdidas de calor, proteger el personal, o suministrar protección contra incendios. Para recipientes aislados externamente, las bridas de las boquillas normalmente no se aíslan, de modo tal que se permite una reducción de 10% por debajo de la temperatura de diseño del fluido para la temperatura de diseño del metal de esas bridas. Si las bridas de las boquillas llevan aislante, la temperatura de diseño del metal es igual a la temperatura de diseño del fluido. Algunas veces los recipientes están provistos con aislamiento interno para reducir la temperatura de diseño del metal a un valor inferior a la temperatura de proceso. Para temperaturas muy altas (mayores que 538°C (1000°F)), este es un método seguro y confiable de confinar el fluido de proceso caliente. Para temperaturas menores, algunas veces es económico o técnicamente deseable utilizar revestimiento de aislamiento interno. Este tipo de revestimiento se puede utilizar también para reducir la corrosión de la pared al disminuir su temperatura. La temperatura de diseño del metal para recipientes aislados internamente se establece normalmente en 343°C (650°F). El aislante interno reduce la temperatura de pared a valores aproximadamente entre 121°C (250°F) y 204°C (400°F), dependiendo de la temperatura del proceso, de la condiciones ambientales y del aislamiento. Sin embargo, pueden existir “puntos calientes” causados por el flujo de gases calientes a través de un revestimiento de refractarios como resultado de la caída de presión en un lecho catalítico o por deterioro de los mismos refractarios. Por lo tanto, la temperatura de diseño del metal es usualmente especificada como 343°C (650°F), para prevenir la eventualidad de los “puntos calientes”. Para servicio de hidrógeno, el material debe ser capaz de soportar ataque por hidrógeno a una temperatura por lo menos igual a la temperatura de diseño del metal. 2. Servicios cíclicos – Los recipientes en servicios cíclicos requieren una atención especial. El servicio cíclico incluye aquel servicio donde el número de arranques y paradas, más otros ciclos grandes de presión y


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temperatura, excede los 1000 durante el tiempo de vida media de la unidad. Las variaciones de presión y temperatura menores del 20% del valor de diseño no son significativas. Las variaciones de temperatura en exceso de ± 83°C (± 150°F) en un intervalo de tiempo de un minuto o menos, pueden ser significativas. El número de ciclos se debe basar en un servicio de vida mínima de 20 años para equipos mayores. Las unidades en servicio cíclico incluyen los procesos químicos con operaciones por carga y las unidades de altas presiones (241,000 kPa man (35,000 psig)) de polietileno. Los servicios cíclicos pueden incluir reactores de lecho fijo, como hidrotratadores e hidrocraqueadores. La mayor parte de las unidades de procesamiento de petróleo no están sujetas a un número significativo de ciclos. 3. Otros gradientes térmicos – Los recipientes que están sujetos a un gradiente térmico substancial como resultado de una repentina variación de temperatura, caen dentro de la clasificación de servicio crítico y requieren una consideración especial. Esta clase de recipientes incluye aquellos reactores de lecho fijo que están sujetos a reacciones exotérmicas. Normalmente se instalan aparatos de despresurización manual con retorno automático para reducir la presión a medida que la temperatura se incrementa. Esto usualmente requiere un estudio analógico del sistema, asociado con cálculos de transferencia de calor para establecer la temperatura del metal. Las combinaciones predominantes de presión y temperatura se utilizan para diseñar el recipiente. 4. Regulaciones locales – Los recipientes diseñados para localidades donde es obligatorio el código ASME, Sección VIII, División 1, pueden ser diseñados para temperaturas de hasta 343°C (650°F) con un costo agregado muy pequeño o sin costo adicional para el recipiente. Esto es debido a que el esfuerzo de diseño, y por lo tanto el espesor, es constante en el rango de 38°C (100°F) a 343°C (650°F) para acero al carbón y aceros de baja aleación. Esto no se aplica estrictamente a recipientes diseñados para condiciones de vacío. Sin embargo, el diferencial de costo para recipientes en servicio de vacío es pequeño. El espesor de pared y el costo de los recipientes varia para otros lugares (donde la Sección VIII, División 1 no es obligatoria), porque la tensión de diseño es una función de la temperatura en el rango de 38°C (100°F) a 343°C (650°F) y a rangos mayores. Esto también se aplica a tuberías, porque la tensión de diseño es función de la temperatura desde 38°C (100°F) en adelante según el “Código de Tuberías”, ASME B31.X. Tanques de almacenaje 1. Tanques de almacenamiento atmosféricos – Estos tanques de almacenamiento tienen una temperatura de diseño igual a la temperatura máxima del fluido o la del ambiente, cualquiera que sea la mayor.


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2. Tanques de almacenamiento con refrigeración – La temperatura de diseño de este tipo de tanque es igual o ligeramente menor (en 5°C (9°F)), que la temperatura mínima de almacenamiento del producto. 3. Esferas de almacenamiento a presión – Las esferas de almacenamiento a presión que no están enfriadas; se deben diseñar para una temperatura igual a la máxima del fluido o la ambiental, a la presión del diseño. Otras consideraciones sobre temperatura de diseño Además de determinar la temperatura de diseño, los siguientes extremos de temperatura y consideraciones de proceso pueden afectar el diseño de equipos o la selección de material para el mismo. 1. Desplazamiento o limpieza con vapor – Los equipos y tuberías sujetos a desplazamiento o limpieza con vapor, como en el caso de arranques o paradas, deben tener la temperatura del vapor incluida en las Especificaciones de Diseño. Las tuberías y recipientes se deben diseñar para la dilatación térmica resultante del desplazamiento con vapor. 2. Traceado de calentamiento – Los equipos o tuberías con trazas de vapor o con encamisado de vapor o con cualquier otra forma de calentamiento con vapor deben ser diseñados tomando en consideración una disminución grave en el flujo del lado de proceso. La temperatura puede afectar el diseño de los equipos o la flexibilidad de las tuberías. 3. Agua de enfriamiento – Una falla de agua de enfriamiento puede también ser causa de temperaturas anormalmente altas en equipos o tuberías. 4. Descoquificación – Los equipos asociados con las corrientes de proceso que deben ser descoquificadas son expuestos normalmente a temperaturas verdaderamente altas y a presiones bajas. Estos extremos de temperatura pueden o no determinar la temperatura de diseño debido al bajo nivel de presión. Sin embargo, la temperatura de descoquificación, la duración y la frecuencia se deben indicar en las Especificaciones de Diseño, de modo tal que el diseño mecánico de tuberías y recipientes tome en cuenta esta consideración. 5. Soluciones alcalinas y aminas – Los equipos y tuberías que contienen soluciones alcalinas, tal como la soda cáustica, o aminas pueden requerir tratamientos térmicos posteriores a la soldadura, dependiendo de la composición y la temperatura. 6. Materiales no–ferrosos – Temperaturas de diseño mayores de +38°C (100°F) para materiales no ferrosos como aluminio y aluminio–bronce deben ser seleccionadas con cuidado, porque la resistencia del material decrece rápidamente con el aumento de la temperatura. Los materiales de bajo punto de fusión como el aluminio, cobre y bronce, generalmente requieren pruebas contra el fuego para prevenir fallas causadas por la exposición al fuego.


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5.3.2

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Equipos en servicios criogénicos y de baja temperatura Los materiales utilizados a temperaturas iguales o inferiores a +49°C (120°F) deben poseer la resistencia adecuada para prevenir fracturas catastróficas en los equipos por fragilidad del material. La resistencia de los materiales se asegura a través de la especificación de los requerimientos de impacto mínimo que son verificados por las pruebas de impacto de los materiales. Los requerimiemtos de impacto se basan en la temperatura crítica de exposición (TCE), por lo tanto, además de establecer la temperatura de diseño, el diseñador debe también determinar la temperatura crítica de exposición (TCE) para los equipos. La temperatura crítica de exposición es la temperatura mínima del metal a la cual un componente estará sujeto a una presión mayor que el 25 por ciento de la presión de diseño. La TCE toma en cuenta los siguientes factores: 1. Temperatura de diseño del proceso (si se tiene más de una temperatura o de un rango, se usará el valor más pequeño). 2. Condiciones de arranque, parada, despresurización o de perturbaciones del proceso que pueden causar temperaturas de metal anormalmente bajas. 3. La más baja temperatura atmosférica promedio de un día, especificada para el arranque y parada de planta. Si no está especificada, se deberá tomar la más baja temperatura atmosférica de un día para la localización de la planta. 4. La temperatura de prueba hidrostática (temperatura del metal durante la prueba) puede predominar sobre la TCE como se explica en los párrafos que siguen. La TCE no siempre es igual a la temperatura mínima del ambiente y puede en la práctica ser superior en equipos que se calientan antes de la presurización o ser menor en equipos de baja temperatura o criogénicos. Se debe notar que las especificaciones de la prueba hidrostática deben requerir que la temperatura del metal durante la prueba sea 6°C (11°F) más alta que la TCE para componentes con espesores iguales o menores a 50 mm (2 pulg) y 17°C (31°F) más alta que la TCE para componentes con espesores mayores de 50 mm (2 pulg). En algunos casos, puede ser necesario calentar el agua de la prueba para cumplir con este requerimiento. Si el calentamiento del agua no es práctico, entonces la TCE se debe ajustar de manera tal que sea 6°C (11°F) ó 17°C (31°F), según lo necesario, por debajo de la temperatura del metal durante la prueba hidrostática con agua no calentada. Para los tanques de almacenamiento atmosférico, la temperatura crítica de exposición es determinada por la menor de las más bajas temperaturas atmosféricas promedio de un día, o por la temperatura del metal durante la prueba hidrostática.


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Criterios y consideraciones para establecer la TCE 1. Tipo de equipo – La temperatura de diseño para equipos criogénicos y de baja temperatura (menor que la ambiente) es igual a la temperatura de operación mínima. El incremento de temperatura entre la temperatura de operación normal y la de diseño puede variar desde pocos grados, para un tanque de almacenamiento con enfriamiento, hasta 14°C (25°F) o más para un nuevo proceso de baja temperatura. Los diseños criogénicos (por debajo de –101°C (–150°F)) requieren el uso de materiales con resistencia adecuada a temperaturas criogénicas. Los materiales típicos son el acero inoxidable, el aluminio o materiales con 5 a 9% de níquel, los cuales tienen una resistencia adecuada hasta –165°C (–265°F). 2. Economía – Los requerimientos de resistencia generalmente llevan al punto óptimo de costo de material a temperaturas por debajo de +60 (140), +49 (120), +16 (61), 0 (32), –29 (–20), –49 (–56) y –101°C (–150°F). Estos puntos óptimos existen por las diferentes especificaciones de materiales requeridos para proveer resistencia. Las temperaturas enumeradas son representativas y en la realidad varían dependiendo de las numerosas variedades de materiales. Los requerimientos de impacto para todos los equipos (excepto tanques de almacenamiento) y tuberías se presentan en los códigos “ASME, Boiler and Pressure Vessel Code, Section VII” y “ASME B31.X”. La temperatura de diseño tiene un efecto muy pequeño sobre el espesor a temperaturas por debajo de +49°C (120°F). 3. Temperatura ambiente – Cuando las temperaturas de operación mínimas están por encima de la temperatura ambiente mínima, “la más baja temperatura promedio de un día”, establecida por la localización del proyecto, debería ser usada como la temperatura de diseño mínima a menos que se establezca el uso de una temperatura más alta. Los manuales de operación deberían especificar la temperatura de operación mínima, si ésta es mayor que la más baja temperatura promedio de un día, y debería incluir limitaciones de operación requeridas para evitar temperaturas más bajas que las mínimas de diseño. En general, para climas calientes es económicamente aceptable utilizar la temperatura más baja promedio de un día (de 16°C (61°F) a 21°C (70°F)), como la temperatura crítica de exposición. A medida que la temperatura más baja promedio de un día cae por debajo de +16°C (61°F) y particularmente debajo de 0°C (32°F), es progresivamente más costoso obtener materiales con la resistencia requerida. Por lo tanto, en esta región de temperatura, se requiere un criterio muy cuidadoso para establecer la temperatura crítica de exposición. 4. Aislamiento – Equipos y tuberías con aislamiento interno deben ser considerados separadamente. Estos incluyen reactores de hidrogenación con refractarios, reformadores secundarios, coquificadores fluidizados y


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craqueadores catalíticos fluidizados. Para estos equipos y tuberías, la temperatura más baja promedio de un día debería ser usada como la más baja temperatura de metal, a menos que los estudios demuestren lo contrario. 5. Ensuciamiento – En algunos casos, el ensuciamiento de intercambiadores de calor o los problemas de control de flujos anormales pueden modificar suficientemente la transferencia de calor, reduciendo las temperaturas de los equipos normalmente calientes. Estos fenómenos deberían ser considerados durante la fase de diseño. 6. Autoenfriamiento – Los equipos y tuberías que pueden estar afectados por bajas temperaturas resultantes de autoenfriamiento deberían ser diseñados para temperaturas de autoenfriamiento, bajo las siguientes circunstancias: a.

La falla o mal manejo de una sola válvula automática puede causar despresurización de los equipos.

b.

El mal manejo de una sola válvula manual puede resultar en despresurización.

No es necesario tomar en cuenta el autoenfriamiento para los puntos a y b arriba mencionados, si la válvula es lo suficientemente pequeña para que la despresurización sea lenta (más de 15 minutos) y si se colocan alarmas adecuadas para avisar al operador sobre la reducción de presión. Las tuberías de descarga y los equipos asociados localizados aguas abajo de válvulas de seguridad que descargen líquidos de vaporización instantánea, deben ser adecuados para manejar las bajas temperaturas resultantes. Las temperaturas de autoenfriamiento deben aparecer en las Especificaciones de Diseño. 7. Enfriamiento brusco – El enfriamiento brusco presenta una situación de diseño especial para el caso de tuberías y equipos. Esta condición está usualmente asociada a equipos de descarga de alivio y de seguridad en plantas de gas o unidades de proceso a baja temperatura. Cuando la temperatura de diseño (después del enfriamiento del líquido) es menor que –29°C (–20°F), y la diferencia de temperatura de enfriamiento excede los 56°C (101°F), el equipo y/o la tubería deben cumplir con los requerimientos de enfriamiento brusco recomendados en las normas y códigos de uso común. La temperatura mínima de diseño debe aparecer en las Especificaciones de Diseño para equipos sujetos a enfriamiento brusco. 8. Pruebas hidrostáticas – La temperatura de prueba hidrostática no es importante para el diseñador excepto para los casos de tanques y esferas de almacenamiento. Para éstos, la temperatura del agua de prueba debe ser especificada, ya que el propietario suministra el agua. Para otros


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equipos, el fabricante debe considerar la temperatura de la prueba durante el diseño detallado del equipo.

5.4

Temperatura de diseño de tuberías La temperatura de diseño para tuberías debe ser establecida en conjunción con la presión de diseño para determinar la clase de tubería a ser utilizada, según se trata en la Sección 6.5 de esta Práctica de Diseño. En general, las consideraciones explicadas anteriormente para la determinación de la temperatura de diseño y de la temperatura crítica de exposición para equipos, aplican en igual forma para las tuberías. Las temperaturas de diseño del metal para tuberías se establecen como sigue: 1. Para componentes de tuberías con aislante externo, la temperatura de diseño del metal debe ser la temperatura máxima del fluido contenido en la tubería. 2. Para componentes de tuberías sin aislante (externamente) y sin recubrimiento (internamente), la temperatura de diseño del metal debe ser la máxima temperatura del fluido contenido en la tubería, reducida en los siguientes porcentajes:

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ Componente Tubería, accesorios para soldar y válvulas Bridas de línea y accesorios con bridas

DT, % de T 5 10

Los diseños usarán más frecuentemente un 10% de reducción, tal como se aplica a bridas de tuberías sin aislante. Las otras reducciones permisibles se aplicarán con mucha menor frecuencia. Si las reducciones se toman para los fluidos de categoría M, las reducciones requieren ser avaladas por cálculos de transferencia de calor confirmados por pruebas, o por medidas experimentales Con el creciente interés en la conservación de la energía, más y más bridas son aisladas para ahorrar calor. Si se está considerando un aislamiento externo para una brida, se debe establecer el rango de presión y temperatura de diseño del fluido para asegurar que sea adecuado aislarla. 3. Para tuberías con recubrimiento y aislamiento interno, la temperatura de diseño del metal para cada componente se debe basar en la experiencia de diseños anteriores o en temperaturas calculadas teóricamente.

5.5

Flexibilidad de tuberías En la práctica corriente las Especificaciones del Diseño de un proyecto no suministran las temperaturas de diseño para las tuberías de proceso. En su lugar,


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tales temperaturas son establecidas por la organización que realiza la ingeniería, basada en la interpretación de las Especificaciones de Diseño que recibe. Este procedimiento es fundamentalmente diferente al que se utiliza para la mayoría de los otros equipos, donde la temperatura de diseño es especificada por un ingeniero de diseño familiarizado con el proceso/operación en el cual esta basada la temperatura. Por lo tanto, es necesario establecer unas comunicaciones claras entre el ingeniero de diseño y el diseñador de detalles de tuberías. Los lineamientos de contenido presentados a continuación muestran la información que el ingeniero de diseño debe suministrar para permitir al diseñador de detalles de tuberías establecer el diferencial máximo de temperatura en la tubería y, en consecuencia, diseñar un sistema adecuadamente flexible. 1. Operación planificada – (Incluye producción estabilizada, desplazamiento con vapor, arranque, parada y operaciones alternas). a.

Producción estabilizada – Las situaciones no usuales deben ser identificadas. Se deben definir las bases para fijar la temperatura de diseño del fluido en la tubería y el mecanismo para establecer la temperatura del fluido a partir de los equipos conectados a la tubería; es decir, explicar cualquier diferencia no clara entre lo que debería ser la temperatura de la tubería y el valor numérico en sí de la temperatura del equipo. Por ejemplo, La temperatura de diseño de un equipo podría ser especificada como 343°C (650°F)(aunque la temperatura real del metal puede ser 121°C (250°F)), porque el recipiente se diseña para una localidad donde es obligatorio usar la Sección VIII del Código ASME. Con esta información y el conocimiento de la dirección de flujo, el diseñador de detalle de tubería puede establecer una temperatura de diseño para flexibilidad de la misma. La flexibilidad de las tuberías de los compresores es particularmente crítica y la temperatura debe ser especificada por el ingeniero de diseño, utilizando las consideraciones expuestas más abajo.

b.

Operaciones de desplazamiento con vapor – El arranque y la parada utilizan normalmente desplazamiento con vapor. Para estos casos se requiere la siguiente información:

(1) Temperatura del vapor utilizado (varias temperaturas y circuitos de vapor pueden estar involucrados). (2) Identificación de las líneas sujetas a desplazamiento con vapor que operen normalmente por debajo de la temperatura del vapor de desplazamiento. (3) Plano de identificación de servicios o líneas para las cuales el desplazamiento con vapor se prohibe (avisar al propietario donde no se puede aplicar desplazamiento con vapor); por ejemplo, avisar donde los costos pueden ser excesivos para suministrar flexibilidad (líneas largas que transportan hidrocarburos fuera de las instalaciones) o donde el aislamiento no es adecuado para manejar las temperaturas del vapor.


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c.

d.

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Secuencias de arranque o parada que imponen en las tuberías diferenciales de temperatura mayores que las correspondientes a condiciones estables de producción. Por ejemplo, la circulación de un aceite caliente para calentar una torre a través de circuitos seleccionados, dejando fríos otros circuitos, provoca un estiramiento de los circuitos fríos a causa de la dilatación de la torre. Operaciones alternas, tales como regeneración, descoquificación, etc. Se deben suministrar los diagramas de flujo simplificados y notas en los planos de flujo indicando lo siguiente:

(1) Todos los circuitos (primarios) de producción planificada y los patrones de flujo. (2) Todos los circuitos secundarios de servicios planificados y los patrones de flujo. (3) Las líneas que se encuentran en la modalidad de no–flujo (bloqueadas) en cada caso. (4) Las temperaturas de los equipos involucrados en cada operación. 2. Operaciones no planificadas – Son las situaciones anormales, incluyendo mal manejo de la operación, el mal funcionamiento de los equipos u otros eventos que no están planificados, pero que están previstos a tal punto que las temperaturas involucradas fueron consideradas cuando se estableció la temperatura de diseño para la flexibilidad térmica de las tuberías y los equipos de conexión. Son ejemplos de estas operaciones los siguientes: a.

Pérdida de flujo del medio de enfriamiento

b.

Interrupción del flujo de proceso durante calentamiento con el sistema de trazas de vapor en servicio

c.

Reacción exotérmica fuera de control

Para cada una de estas situaciones anormales previsibles, se deben suministrar la temperatura de metal y la frecuencia de aparición previstas (número de ocurrencias por año) para las mismas. 3. Consideraciones para frecuencias de operaciones cíclicas – Considerando un período de 20 años, el número de ciclos de temperatura significativos debe ser indicado para el tiempo de vida de la planta, si ellos exceden el valor de 7000 (es decir, alrededor de uno por día durante 20 años). Un ciclo significativo es aquel donde el cambio de temperatura es igual o mayor que el 50 por ciento del cambio máximo de temperatura. 4. Sistemas de tuberías para compresores – El diseño de los sistemas de tuberías relativamente frías para compresores, puede ser afectado significativamente por pequeñas diferencias en los rangos de temperaturas. Esto es debido a que el diseño de estas tuberías esta limitado por las cargas que pueden ser impuestas al compresor sin


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causarle problemas. Las tuberías de gran diámetro (600 mm (24 pulg)) son particularmente críticas. En un sistema de tuberías de compresores usualmente se requieren soportes y empotramientos especiales, de manera tal que las cargas sobre las boquillas no excedan las cargas permisibles. Al mismo tiempo, el limitado espacio disponible para los circuitos de expansión localizados alrededor del compresor, complican el problema. En consecuencia, la temperatura de metal para flexibilidad de tuberías de compresores debe incluir solamente el incremento de temperatura necesario para cubrir las condiciones de operación, sin ser excesivamente conservador, y debe estar indicada en las Especificaciones de Diseño. Las líneas de succión de los compresores que se calientan con trazados externos deben ser diseñadas para ser lo suficientemente flexibles para una temperatura de metal que refleje la condición de no flujo, con los trazados externos en funcionamiento. Esta temperatura de metal puede ser significativamente más baja que la temperatura de los trazados externos. 5. Tuberías de carga y descarga para tanques – La disposición de la tubería y la expansión térmica asociada, particularmente para líneas de gran diámetro, no deben imponer cargas excesivas en la boquillas de los tanques. La tubería entre un tanque y su dique de contención se debe colocar y soportar convenientemente a fin de minimizar el movimiento de la tubería durante el llenado, el vaciado y el asentamiento del tanque. Para los efectos de expansión térmica, el rango de diferencia máxima de temperatura utilizado en el análisis de flexibilidad debe considerar 49°C (120°F) como el valor de temperatura superior, si la temperatura máxima de operación del fluido es inferior a 49°C (120°F). Esta es considerada la máxima temperatura del metal resultante de la radiación solar cuando no hay flujo en la línea. 6. Líneas fuera de los límites de las unidades de proceso – Para estas líneas se puede usar, a condiciones anormales, el doble del rango de esfuerzo permitido por el Código de Tubería, siempre y cuando: a.

La temperatura del fluido a condiciones anormales está por debajo de la temperatura de autoignición y de 260°C (500°F).

b.

Las condiciones anormales no ocurran más de 5 veces al año.

c.

El rango de esfuerzo permisible deba ser calculado solamente para las condiciones anormales. No se debe tomar crédito por los esfuerzos longitudinales prolongados que sean menores que los permisibles en el Código de Tubería.


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PRESION DE DISEÑO 6.1

Generalidades La presión de diseño es la máxima presión interna o externa utilizada para determinar el espesor mínimo de tuberías y recipientes y otros equipos. Para condiciones de vacío parcial o total, la presión externa es la máxima diferencia entre la atmosférica y la presión en el interior del recipiente o tubería. La presión de diseño especificada para equipos y tuberías esta normalmente basada en la presión de operación máxima, más la diferencia de presión entre la presión máxima de operación y la presión fijada en el sistema de alivio de presión (AP). Esta diferencia de presión es requerida para prevenir la apertura prematura de una válvula de alivio de seguridad o la falla prematura de un disco de ruptura. La presión de diseño de un recipiente se especifica normalmente en el tope del mismo. Al establecer la presión máxima de operación, se deben considerar las variaciones de presión originadas por cambios en la presión de vapor, densidad, cambio en la alimentación, cambios en los puntos de corte de los productos, cabezal estático debido al nivel de líquido o sólido, caída de presión en el sistema y presión de bloqueo de bombas o compresores. También se debe suministrar un margen adecuado entre la presión de operación y la presión establecida para la válvula de seguridad (normalmente igual a lapresión de diseño), a objeto de prevenir la abertura frecuente de la válvula de seguridad. La presión de diseño generalmente se selecciona como el mayor valor numérico de los siguientes casos: (a) 110% de la presión máxima de operación, o (b) la presión de operación más 172 kPa man (25 psig). Esta regla se aplica cuando se utiliza una válvula de alivio de seguridad convencional. Hay varias excepciones a esta regla, que se explicarán más adelante.

6.2

Definiciones Presión de operación Es la presión a la cual los equipos o tuberías están normalmente expuestos durante la operación de los mismos. Presión de operación máxima Es la máxima presión prevista en el sistema debida a desviaciones de la operación normal. Esto incluye arranques, paradas, operaciones alternadas, requerimientos de control, flexibilidad de operación y perturbaciones del proceso. La máxima presión de operación debe ser al menos 5% mayor que la presión de operación.


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Presión de operación mínima (Vacío) La presión de operación mínima es la presión sub–atmosférica más baja que puede tener el sistema, basada en las condiciones esperadas de la operación, incluyendo arranque y parada. Los recipientes sometidos a condiciones de presión sub–atmosférica, deben ser diseñados para vacío total. Presión de diseño Es la presión máxima, interna o externa, a ser utilizada para determinar el espesor mínimo de tuberías, recipientes u otros equipos. Para condiciones de vacío parcial o total, la presión externa es la máxima diferencia de presión entre la atmosférica y la presión interna existente en los equipos. De no ser especificado de otra forma, la presión de diseño es la que se específica en el tope del recipiente. Presión de trabajo máxima permisible (PTMP) Es la máxima presión manométrica permisible en el tope de un recipiente colocado en su posición de operación, a una temperatura establecida. Esta presión se basa en cálculos que usan el espesor nominal, excluyendo la tolerancia por corrosión y excluyendo el espesor requerido para satisfacer cargas diferentes a las de presión para cada elemento de un recipiente. La PTMP no se determina normalmente para recipientes nuevos, pero se usa en recipientes que van a ser redimensionados o en estudios relacionados con usos alternos del equipo. Presión de bloqueo (“stalling”) Es la presión a la descarga de una bomba centrífuga o un compresor centrífugo, con la presión de succión en el máximo valor posible y el sistema de descarga cerrado. Presión de prueba hidrostática Es la presión manométrica aplicada al equipo o tubería durante la prueba hidrostática. La mínima presión requerida y la máxima presión permisible para la prueba dependen del código aplicado. Presión de ajuste Es la presión manométrica a la entrada de una válvula de alivio, a la cual la válvula es ajustada para abrir. Para nuevos proyectos, generalmente la presión de ajuste es igual a la presión de diseño del equipo instalado en el sistema protegido por la válvula de alivio. Sobre–Presión Es el incremento de presión sobre la presión de ajuste de una válvula de alivio durante la descarga de la misma, y se expresa como un porcentaje de la presión de ajuste.


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Acumulación Es el incremento de presión sobre la presión de trabajo máxima permisible (PTMP) de un equipo o sistema de tubería durante la descarga de la válvula de alivio correspondiente, y se expresa como un porcentaje de la PTMP. Presión de alivio Es la suma de la presión de ajuste de una válvula de alivio y el incremento real de presión que ocurre durante la descarga de la misma. Contra–Presión Es la presión en el lado de descarga de una válvula de alivio en posición cerrada.

6.3 6.3.1

Presión de diseño de equipos Equipos a presión Recipientes Para la determinación de la presión de diseño de recipientes a presión, se deben tener en cuenta los siguientes factores: Presión Mínima de Diseño – Generalmente se utiliza una presión mínima de diseño de 110 kPa man. (16 psig), a menos que existan fuertes incentivos para decidir lo contrario. Recipientes a presión con una presión de diseño igual o menor que 103 kPa man. (15 psig) caen fuera de los alcances obligatorios del Código ASME. En algunas circunstancias, es deseable por consideraciones económicas y de fabricación, especificar presiones de diseño menores de 110 kPa man. (16 psig). Este tipo de equipos se encuentra en las unidades de fertilizantes, desparafinadoras, de tratamiento de agua y en sistemas de gases de combustión. Cabezal estático – El ingeniero de diseño debe también considerar el cabezal estático que puede estar presente en un recipiente. Este cabezal no está automáticamente cubierto en el diseño de detalles del recipiente por el contratista o fabricante, para las condiciones de operación. Los códigos requieren que se incluya en el diseño una presión adicional debido al cabezal estático causado por el contenido normal de líquido. Si el nivel líquido máximo es especificado de manera clara, el contratista lo tomará en cuenta. Para recipientes horizontales o recipientes a alta presión, el efecto de cabezal estático adicional durante la operación es despreciable. Los requerimientos de diseño para cabezales estáticos deben ser incluidos en las Especificaciones de Diseño de torres de extracción de líquidos, de reactores de lecho de sólidos fluidizados, de torres de enfriamiento súbito o de cualquier otro recipiente vertical que puede operar lleno con líquidos o sólidos. Un recipiente de almacenamiento o un silo tal como una tolva para catalizador, también deben ser


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REVISION

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diseñados tomando en cuenta el cabezal estático. Se debe poner una nota en las Especificaciones de Diseño que explique que el recipiente debe ser diseñado para el cabezal estático resultante de un nivel dado de material; también se debe indicar su densidad. Para recipientes no llenos de líquido – Para el caso de recipientes conteniendo vapor y líquido, si no están normalmente llenos de líquido, se recomienda usar los siguientes valores para la presión de diseño:

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ Presión de operación máxima (POM) Bajo 1700 kPa (247 psig) Entre 1700 y 4000 kPa (247 y 580 psig) Entre 4000 y 8000 kPa (580 y 1,160 psig) Sobre 80 Barg (1,160 psig)

Presión de diseño POM + 170 kPa 110 % de POM POM + 400 kPa 105 % de POM

Para equipos operando por debajo de 100 kPa (15 psig), se debe considerar el punto relacionado con la presión mínima de diseño. Para recipientes llenos de líquido – Para el caso de recipientes llenos de líquido, la presión de diseño debe ser al menos la presión de bloqueo de la bomba que carga el recipiente, si el mismo puede ser bloqueado mientras el sistema de alimentación permanece operando. Recipientes verticales con flujo ascendente – Además del cabezal estático, la caída de presión del sistema con flujo ascendente también puede influenciar el diseño de los elementos localizados por debajo del tope del recipiente. El cálculo del espesor de pared de las secciones inferiores del recipiente debe tomar en cuenta los aportes apropiados del cabezal estático y la caída de presión del sistema agregada a la presión del diseño. Por lo tanto, el diseñador debe suministrar la presión de diseño en el tope del recipiente, el cabezal estático para el nivel más alto de líquido, y la caída de presión del sistema desde el fondo hasta el tope del recipiente, en las Especificaciones de Diseño relacionadas con los planos del recipiente. Se supone que la caída de presión del sistema varia linealmente, a menos que se especifique lo contrario. Alivio de presión – Este tópico se analiza en los documentos PDVSA–MDP–08–SA–01 / 02 / 03 / 04 y 05. En dichos documentos también se analizan las relaciones entre la presión de diseño y la presión fijada en los sistemas de alivio de presión. Adicionalmente, se describen los aparatos comunmente usados para aliviar la presión, tales como válvulas de alivio térmico, discos de ruptura, venteos de explosión, circuitos con sello de líquido y válvulas de rompimiento de vacío. Economía Existen algunas reglas generales que pueden ser utilizadas para establecer un diseño económico de recipientes.


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El diseño del fondo de una torre puede ser gobernado por condiciones diferentes de las del proceso. A veces, los vientos y cargas de prueba hidrostática (y, ocasionalmente, cargas por movimiento telúrico) gobernarán sobre el cálculo de espesor de pared en el fondo de torres muy altas (generalmente por encima de los 30.5 m (100 pies)). El espesor requerido solamente por presión no debe ser utilizado para estudios económicos, si la torre posee una altura mayor de 30.5 m (100 pies). Existen también programas de computación que suministran estimados de costos precisos para estos recipientes. El diseño de un tambor estará normalmente gobernado por la presión interna, sea esta positiva o una presión de vacío, si así se impone. No obstante, un tambor horizontal largo requerirá refuerzos en los soportes o un espesor de pared mayor que el requerido por presión. Esto es particularmente cierto para diseños a presiones muy bajas. Minimizar el costo de un recipiente no necesariamente significa optimizar el costo unitario. Se deben también tomar en cuenta factores como los costos de bienes raíces, fundaciones y tuberías. Cuando la presión de diseño es superior a 1030 kPa man. (150 psig), el costo del recipiente generalmente se mantendrá mínimo si el diámetro se reduce. Sin embargo, los recipientes con internos (exceptuando platos de cartuchos) deberían tener, preferentemente, un diámetro mínimo de 0.9 m (3 pies) a fin de facilitar el acceso al recipiente. Los recipientes verticales con alturas mayores de 30.5 m (100 pies) o una relación de L/D mayor de18 pueden no ser más económicos a pesar de que el diámetro esta minimizado en 0.9 m (3 pies). Esto sucede porque el viento, las pruebas hidrostáticas o los movimientos telúricos comenzarán probablemente a gobernar el diseño. Se debería reconocer que los requerimientos de proceso pueden superar y frecuentemente superan las consideraciones arriba expuestas. Baja presión Para sistemas con presiones bajas (menos de 1720 kPa man (250 psig)) y operación estable, el margen entre la presión de operación y la presión de diseño puede ser reducido. Para estos sistemas, la presión de diseño puede ser el mayor valor entre la presión de operación máxima más el 10%, o la presión de operación más 103 KPa man (15 psig). El uso de válvulas pilotos puede permitir la utilización de menores diferenciales de presión entre la presión de operación y la presión de diseño. Véase los documentos PDVSA–MDP–08–SA–01 / 02 / 03 / 04 / 05. Un sistema de presión autolimitante puede tener también un diferencial de presión más pequeño. Un ejemplo de este sistema sería uno que opere a 41kpa man (6 psig), con la presión producida por un ventilador. Si el ventilador puede generar


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CRITERIOS DE DISEÑO


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TEMPERATURA Y PRESION DE DISEÑO .Menú Principal

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una presión máxima de 62 kPa man. (9 psig), ésta podría ser la presión de diseño del sistema. Este tipo de sistemas se encuentra en algunas plantas de fertilizantes. Intercambiadores de calor Las presiones de diseño son especificadas separadamente para la carcaza y los tubos, en la manera usual que para la mayoría de los equipos. Sin embargo, cuando la presión de diseño del lado de alta presión es mayor que 1.5 veces la del lado de baja presión, pueden existir requerimientos especiales, por lo cual, usualmente se especifican los intercambiadores considerando la regla de 1/1.5. Véase al respecto los documentos PDVSA–MDP–08–SA–01 / 02 / 03 / 04 / 05. Tambores de descarga de livianos y tambores de sello de mechurrios Véase los documentos PDVSA–MDP–08–SA–01 / 02 / 03 / 04 / 05. 6.3.2

Equipos a vacío Los recipientes sujetos a vacío parcial o total (presión sub–atmosférica), se deben diseñar para vacío total. Si se prevé un vacío para cualquier condición de operación, éste debe ser especificado como una condición de diseño. Son excepciones a esta regla los fraccionadores primarios de gran tamaño como las destiladoras atmosféricas, los fraccionadores de craqueo catalítico, los fraccionadores de las plantas de coque y los fraccionadores de las plantas de craqueo con vapor. La experiencia ha mostrado que, con un estricto seguimiento de los procedimientos de operación, los operadores pueden prevenir la formación de vacío para los pocos casos en los que se pueda generar. Las pérdidas de calor introducido o el enfriamiento de algunos sistemas, como en el caso de una torre fraccionadora llena con fracciones de rangos de ebullición muy pequeños, pueden resultar en condiciones de vacío en los recipientes, tambores y tuberías. Véase los documentos PDVSA–MDP–08–SA–01 / 02 / 03 / 04 / 05. Una operación defectuosa de algún sistema de compresores puede dar resultados similares. Estos puntos deben ser considerados al establecer las necesidades para diseñar equipos al vacío. Generalmente, los recipientes y los equipos no se diseñan para el vacío que se desarrolla cuando se desaloja el agua de éstos con el sistema de venteo cerrado, como puede suceder después de la inundación con agua o de la prueba hidrostática de tales equipos o recipientes. Se confía en el control del operador para prevenir el vacío debido a esta causa. Para líneas de conexión entre tanques y bombas, localizadas fuera de los límites de batería, y de diámetros mayores de 600 mm (24 pulg), se puede requerir el uso de líneas rompe–vacío conectadas al tanque a fin de prevenir el colapso de la línea. Un colapso sería el resultado de un vacío que se puede generar si la válvula de bloqueo en el tanque es inadvertidamente cerrada mientras que la bomba está funcionando.


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Economía Existen algunas reglas generales que pueden ser utilizadas para establecer un diseño económico de recipientes a vacío. El diseño de recipientes o tuberías de gran diámetro para condiciones de vacío usualmente representa un balance económico. Es decir, ¿el equipo debe ser diseñado para vacío total? o, alternativamente, se deben analizar preguntas como: ¿debe la unidad ser diseñada y operada para el caso en que el vacío no ocurra?. Si los espesores para vacío y para presión interna son necesarios para un análisis económico de este tipo, refiérase al “ASME Boiler and Pressure Vessel Code”, Sección VIII, División 1, o consulte con la Mechanical Engineering Services Section.

6.4

Presión de diseño de tuberías La presión de diseño para tuberías debe ser consistente con la presión de diseño para los recipientes y equipos a los cuales se conectan, y cumplir con los siguientes aspectos: Tuberías protegidas por aparatos de alivio de presión (AP) – En este caso, la presión de diseño debe ser igual a la presión de ajuste establecida para el aparato de alivio de presión (AP) que protege al sistema, más el cabezal estático cuando aplique. Tuberías no protegidas por aparatos AP – La presión de diseño para cualquier sección de tubería no protegida por un aparato AP debe ser igual a la presión máxima que se puede desarrollar como resultado de una falla de una válvula de control, del bloqueo de una bomba, o del cierre inadvertido de una válvula, más el cabezal estático. Para tuberías sujetas a presión por bloqueo de bombas centrífugas y no protegidas por un aparato AP, un estimado aceptable de presión de diseño es el valor numérico mayor entre los siguientes: 1. Presión de succión normal de la bomba más 120% del diferencial de presión normal de la bomba. 2. Presión de succión máxima de la bomba más el diferencial de presión normal de la bomba. En algunas circunstancias, puede ser necesario diseñar utilizando la presión de succión máxima de la bomba más el 120% del diferencial de presión normal de la bomba (caso más conservador). Un ejemplo donde esto se aplica es en el caso de falla del reflujo de tope (”pumparound”) de un fraccionador, debido a error de operación. Una presión de diseño menor que la determinada en base a las reglas anteriores es aceptable, si la bomba real adquirida tiene una presión diferencial de bloqueo


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(válvulas de entrada y salida de la bomba cerradas) menor que 120% de la presión diferencial normal. Si la presión diferencial de bloqueo excede el 120% de la presión diferencial normal, la presión de diseño determinada según las reglas propuesta es aceptable, si satisface las bases de lapsos cortos de tiempo o de lapsos de tiempo intermedio del Código de Tuberías (Vea “Líneas Especiales”, más adelante). Para el caso de una sola bomba, la válvula de succión debe tener una limitación de presión–temperatura igual a la de la línea de succión, siempre y cuando la bomba sea la única fuente de presión en la línea de descarga. Si existe otra fuente de presión igual o mayor, en la línea de descarga, la válvula de succión de la bomba y todos los componentes entre esa válvula y la bomba deben tener las mismas limitaciones de presión–temperatura que la línea de descarga. Para bombas en paralelo, las válvulas de succión y la tubería aguas abajo de las bombas deben tener unas limitaciones de presión–temperatura que sean aceptables al menos para el 75% de la presión de descarga de diseño, a la temperatura de diseño. Las válvulas de doble bloqueo y la tubería entre las válvulas deben ser diseñadas para la más severa clasificación de tubería en ambos lados de la instalación de la válvula de doble bloqueo. La presión de diseño para tuberías que operan a 103 kPa man. (15 psig) o menos, debe ser por lo menos igual a la presión de operación más 14 kPa man. (2 psig), pero no menor de 110 kPa man. (16 psig). Líneas especiales Generalidades – A veces puede ser deseable clasificar algunas tuberías como especiales. Las líneas especiales pueden operar con un incremento de 33% ó 20% en el nivel de presión o del esfuerzo permisible, para variaciones cortas y poco frecuentes de la presión y/o la temperatura de operación normal. Si la duración de las variaciones es mayor que la permitida por el “Código de Tuberías” para la base de lapsos de tiempos cortos o intermedios (descritos más abajo), se deben usar las combinaciones de presión y temperatura más severas, a fin de desarrollar condiciones de diseño adecuadas para un proyecto de larga duración. Existen varias restricciones relacionadas con las bases a lapsos de tiempos cortos y lapsos de tiempos intermedios: Primero, estas bases no se pueden usar para servicio de fluidos de categoría M (ver definiciones generales) o para tuberías de hierro colado. Segundo, si un aparato de alivio de presión protege la tubería, la presión de ajuste fijada para el aparato de AP no debe exceder la de diseño de la tubería para lapsos de tiempos largos. Tercero, las presiones que exceden los niveles normales de limitaciones de presión–temperatura para las válvulas, a veces causan pérdidas de la


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hermeticidad en los asientos de las mismas, o una operación difícil, por lo cual se debe revisar este aspecto del diseño. Para lapsos de tiempos cortos, y sujeto a la aprobación del dueño del proyecto, se permite incrementar el límite de presión o el esfuerzo permisible a la temperatura escogida, en un 33%, siempre y cuando las variaciones no excedan las 10 horas en cualquier lapso de tiempo o el total de 100 horas por año. Para lapsos de tiempos intermedios, se permite incrementar el límite de presión o el esfuerzo permisible a la temperatura escogida, en un 20%, siempre y cuando las variaciones no excedan las 50 horas en cualquier lapso de tiempo o el total de 500 horas por año. Este tipo de condición está usualmente asociada con una situación de emergencia o condiciones de operación alternas. Se permiten incrementos en la presión o el esfuerzo para tiempos cortos e intermedios, con las siguientes salvedades: 1. Las condiciones de lapsos de tiempo cortos deben considerar todos los posibles incrementos simultáneos en temperatura y presión. 2. Las condiciones de diseño del sistema deben tener las mismas especificaciones que las condiciones de diseño de tuberías de larga duración. Estas condiciones no deben normalmente ser excedidas. 3. Cualquier alteración es responsabilidad del diseñador y/o del operador, por lo cual se requiere aprobación por parte del dueño del proyecto. Requerimientos mínimos para líneas especiales – Cuando es preciso designar las líneas como especiales se deben seguir, como mínimo, los siguientes pasos: 1. Hacer una lista en la cual se identifiquen como “Líneas especiales” todas las tuberías para las que se consideran condiciones de lapsos de tiempos cortos/intermedios. La lista debe incluir una tabulación de cada grupo de condiciones de lapsos de tiempos largos o cortos/intermedios que deben ser tomados en cuenta por el diseñador de tuberías. 2. Especificar las condiciones de diseño para la planta que sean consistentes con las condiciones de diseño de las tuberías de larga duración y asegurar que estas condiciones son identificables y controlables en el cuarto de control. 3. Instruir a los operadores, usando los manuales de operación, sobre las condiciones de diseño (determinadas en los pasos anteriores) que no deben ser excedidas durante la operación normal. Es responsabilidad de la operadora de las instalaciones monitorizar las líneas especiales para asegurar que no se excedan los límites de lapsos de tiempo del “Código de Tubería”. Servicios para fluidos especiales (categoría D y categoría M) En la Edición vigente del ASME/ANSI B31.1 (1992) y del B31.3 (1993) (“Código de Tubería”), se presentan dos categorías de servicio de fluido, la categoría D y


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la categoría M (ver sección 4, definiciones generales), a las cuales se aplican consideraciones especiales de diseño y/o fabricación, adicionales a las aplicadas a la gran mayoría de las tuberías que son normalmente cubiertas por la norma. De estas categorías de servicio, sólo el servicio de fluido categoría M tiene un particular significado para el ingeniero de diseño. Un servicio de fluido categoría M es un servicio de fluido tóxico, en el que la exposición a cantidades muy pequeñas en el ambiente pueden producir daños serios e irreversibles a las personas, ya sea al respirar o al tener contacto físico con el fluido, aún cuando se tomen prontas medidas correctivas. Un porcentaje extremadamente pequeño de las tuberías de planta de proceso cubiertas por el ANSI B31.3 estará en el servicio de fluido categoría M. El porcentaje de tuberías en esta categoría, es aproximadamente el mismo de los recipientes a presión en la Sección VIII del ASME, que se consideran en servicio letal, ya que las tuberías de servicio de fluido categoría M usualmente se conectan a recipientes en servicio letal. Ejemplos de sustancias que son consideradas como categoría M/letales son el ácido hidrocianúrico, el cloruro de carbonilo, el cianógeno, el gas mostaza y el bromuro de xilil. Para propósitos de diseño, los ácidos, los fenoles, el cloro, el amoníaco, los gases naturales o manufacturados, y los gases de petróleo licuados (como propano, butano, butadieno) y los vapores de cualquier otro producto de petróleo no deben ser clasificados como categoría M/letal. Las corrientes de proceso que contienen sulfuro de hidrógeno, metilciclopentadienil tricarbonil de manganeso (MTM) y tetraetilo de plomo (TEP), normalmente no se consideran pertenecientes al servicio de categoría M/letal, debido a las consideraciones de exposición y a la manera como estas corrientes son manejadas en una unidad de proceso, las cuales incluyen vestiduras especiales y sistemas de respiración apropiados para el caso de escapes de material.

6.5

Especificaciones de materiales de tuberías Como se mencionó anteriormente, la temperatura y la presión de diseño de las tuberías son determinadas por el contratista de ingeniería en base a la información suministrada por el dueño del proyecto en sus bases y especificaciones de diseño. El diseño de tuberías es desarrollado conjuntamente por las disciplinas de procesos (o proyectos) y mecánica (tuberías), mediante el desarrollo de las listas de líneas, las cuales, además de la información relacionada con la operación de las mismas, presenta la información de diseño (presiónes y temperaturas de diseño por código, para los casos de perturbaciones y para la prueba de presión, sea ésta hidrostática, neumática o de servicio). Las condiciones de diseño deben ser determinadas según los lineamientos presentados en las secciones anteriores. Una vez disponible la información de diseño para las líneas, sean estas de procesos o de servicios industriales o de instalaciones auxiliares, se procede a la


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determinación de la clase de tubería (tipo de tubería correspondiente a un nivel nominal de presión permisible en el sistema) a ser utilizada, según la especificación de ingeniería de PDVSA, H–221 Materiales de tuberías. Determinada la clase de tubería a ser utilizada, la selección de todos los componentes del sistema (tubos, válvulas, accesorios, bridas, conexiones de drenaje y venteo, arreglos de conexiones de instrumentación, etc.) queda determinada por esta clasificación, sin necesidad de realizar cálculos de diseño para determinación de espesores o esfuerzos en los materiales; los únicos cálculos requeridos corresponden a la flexibilidad de los sistemas para los casos donde se requiera. La clasificación de tuberías de PDVSA se basa en los códigos y normas ANSI, ASME y ASTM correspondientes para los diferentes materiales y componentes de los sistemas de tubería, especialmente en los códigos ASME/ANSI B.31.1, Tubería de vapor, y ASME/ANSI B31.3, Tubería para plantas químicas y refinerías de petróleo. La información básica requerida para determinar la clase de tubería es la siguiente: 1. Material (fluido) contenido en la línea, con sus condiciones de operación. 2. Presión de diseño por el ”código de tubería”. 3. Temperatura de diseño coincidente con la presión de diseño. Con la anterior información, se busca en la especificación H–221 el índice de servicios, en el cual, dados el fluido manejado y las condiciones de diseño, se determina la clase a ser utilizada (existen 66 clases en la especificación). Con esta clase, se busca la tabulación correspondiente, la cual muestra el tipo de servicio (fluidos), los límites de presión/temperatura, la corrosión permitida, el espesor, material y tipo de fabricación de los tubos, niples, bridas, accesorios, empacaduras, tipos de valvulas a usar, juntas y conexiones de venteo, drenaje e instrumentos, y una serie de notas relacionadas con el diseño de sistemas y componentes para la clase seleccionada. Queda a criterio del diseñador determinar la clasificación apropiada de la tubería correspondiente a las condiciones de diseño de presión y temperatura requeridas para el sistema de tubería en estudio. La clase de presión primaria establecida por el diseñador usualmente se específica para cada línea en las Especificaciones de Diseño. En situaciones especiales, algunos tamaños de tubería pueden no estar cubiertos por una clase de tubería aceptada, debido al gran tamaño o a las condiciones extremas de temperatura y presión a las cuales están sometidos. Para éstos casos, la presión y la temperatura de diseño son requeridas en las Especificaciones emitidas para el diseño mecánico.

PDVSA MDP-01-DP-01 TEMPERATURA Y PRESION DE DISEÑO

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