CURSO BASICO DE ANALISIS DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA DE TUBERIAS
INST. MIRIAN ALVA
CONTENIDO
SECCION SECCION I
: Métodos Simplificados Simplifi cados de Cálculo.
SECCION SECCION II : Soportes Sopo rtes de Tuberías Tube rías.. SECCIO SECCION N III : Soportes Sopor tes Tipo Resorte. Resor te. SECCIO SECCION N IV : Soportería Sopor tería sobre Columnas. Colum nas. SECCION SECCION V : Soporterí Sopor teríaa de Bombas. Bomba s. SECCIO SECCION N VI : Análisis de Flexibilidad Flexibilid ad de Tuberías.
CONTENIDO
SECCION SECCION I
: Métodos Simplificados Simplifi cados de Cálculo.
SECCION SECCION II : Soportes Sopo rtes de Tuberías Tube rías.. SECCIO SECCION N III : Soportes Sopor tes Tipo Resorte. Resor te. SECCIO SECCION N IV : Soportería Sopor tería sobre Columnas. Colum nas. SECCION SECCION V : Soporterí Sopor teríaa de Bombas. Bomba s. SECCIO SECCION N VI : Análisis de Flexibilidad Flexibilid ad de Tuberías.
SECCION I
METODOS SIMPLIFICADOS DE CALCULO CALCU LO El objetivo de este capitulo es dar las directrices a seguir para definir las longitudes de brazos necesarios para absorber los movimientos de las tuberías, por expansión térmica, a fin de que las fuerzas y momentos momentos aplicados a guías y anclajes sean aceptables. En los casos donde el estudio visual no sea suficiente para asegurar la flexibilidad de la línea, el diseñador o analista de flexibilidad deberá aplicar alguno de los métodos simplificados, dependiendo del ruteo de la línea. Estos métodos eran utilizados antes de la existencia de las computadoras y de los programas de calculo y no han sido abandonados en su totalidad ya que permiten la verificación de casos simples, sin hacer uso de computadoras. Igualmente permiten hacer el predimensionamiento de un ruteo complejo, antes de decidir una verificación mas detallada con el uso de la computadora. co mputadora. Su empleo esta limitado a configuraciones simples, comprendidas entre dos anclajes, sin restricciones intermedias. El método consiste en reducir un ruteo a un caso simple, y lograr que la expansión térmica en una dirección sea absorbida por un tramo perpendicular a la misma. Existen un cierto numero de métodos, mas o menos complejos, dependiendo si toman o no en cuenta los codos. Sin embargo, todos están están limitados por los los siguientes criterios: criterios: §
§
§
Los sistemas estudiados deben estar comprendidos entre dos anclajes, sin soportes ni guías intermedias. El diámetro, el espesor y el material deberán ser constantes a todo lo largo del trazado. Los codos deben ser normales, ya que los mitrados pueden conducir a resultados erróneos.
Estos métodos no deberán ser utilizados, (excepto para casos de predimensionamientos en estudios de tuberías o con la verificación de un programa computarizado, como el Caesar II), en cualquier de los los casos siguientes: §
Los sistemas con conexiones a boquilla de Equipos Estáticos y/o Rotativos..
§
Diámetros superiores a 24”. Líneas de Acero al Carbono o Inoxidable con temperaturas >300 8C.
§
Clases de Tuberías >300#.
§
§
Codos con radios radio s 5D o Mitrado. Líneas enchaquetadas.
§
Tuberías no metálicas (PVC, PEHD, GRE, Cobre, Cupro-nickel, etc.….)
§
I-1
A pesar de estas restricciones, un gran numero de casos pueden ser estudiados como sistemas simples.
Ejemplos: §
Lazos de Expansión en Pipe Rack. La dilatación vertical y la Este-Oeste son despreciables. El problema nos lleva al estudio entre A y B, afectados por los desplazamientos Norte-Sur.
A
B
§
Líneas que descienden de Columnas El problema se puede llevar al estudio de B y C afectados por los desplazamientos verticales.
A
B
C
I-2
§
Líneas que salen del Pipe Rack Analogía con las líneas que descienden de las columnas, el problema se puede limitar al estudio entre C y D. A B C
D
•
Líneas conectadas a un Cabezal El problema se limita al estudio del ramal, entre A y B, afectada por los desplazamientos aceptables.
B
A
I-3
1. MÉTODOS DESPRECIATIVOS DE LOS CODOS Estos Métodos se diferencian entre sí, por la deformación y/o rotación supuesta para los codos. Tres Métodos principales son los siguientes: A
B
x
C
“SQUARE-CORNER” : El ángulo entre AB y BC es indeformable (908) pero puede girar alrededor al plano.
x
A
B
x
“GUIDED CANTILEVER” : Ninguna rotación en B, el ángulo es indeformable, y no gira. Tenemos entonces:
FX = 12.E.I BC3
C
x A
B
x
“FREE CANTILEVER” : formula:
Corresponde a la
FX = 3.E.I BC3
C
x
Y
Se supone que el codo se deforma suficientemente para ajustarse a las diferentes rotaciones de sus extremos.
X
1.1 Criterio de aceptación de las Normas ANSI ASME B 31.1 y B 31.3 Este método se aplica a los ruteos tridimensionales de una manera global, ya que nos da información acerca de las fuerzas y esfuerzos en la tubería y se utiliza únicamente para conocer si una línea es suficientemente flexible o no.
R =
D.y =1 2 8.2 ( L-U )
( Eq. 16 - 319.4 – CODE ASME B 31.3)
I-4
Donde:
D : Diámetro exterior (pulgadas) y : Dilatación resultante (mm) L : Longitud total desarrollada por línea (m) U : Distancia entre anclajes (m) Para aplicarse, el sistema debe cumplir con las siguientes restricciones: • •
Deberá ser de tamaño uniforme, diámetro constante, con no mas de 2 puntos de fijación y sin soportes o restricciones intermedias. No puede ser aplicado a un sistema sometido a condiciones cíclicas severas.
I-5
1.2 Método de “SQUARE CORNER” Es un método paramétrico elaborado para los ruteos muy simples ( Tipo L y Lazos de Expansión ). Es un método que no toma en cuenta los codos, pero supone que los ángulos son indeformables, de ahí la denominación de “SQUARE-CORNER”. Las ecuaciones que normalmente se utilizan son las de la mecánica. Los resultados son traducidos en forma de tablas, las cuales permiten determinar: •
El esfuerzo máximo en la línea.
•
Las Fuerzas y Momentos en los anclajes.
OBSERVACION: La flexibilidad de los codos no esta tomada en cuenta, las fuerzas y los momentos determinadas por las tablas son pesimistas. Los momentos son calculados en los extremos, donde son máximos, la constante máxima calculada se encuentra por lo tanto en uno de los extremos. Por lo tanto la constante en los codos no puede ser calculada, o es ahí que son máximos. Un desarrollo de este método puede ser el de calcular el momento en los codos, calcular la constante y asignar un coeficiente de intensificación de esfuerzos ( SIF ), lo hace menos pesimista que asignarlo a un extremo.
L A
B
K.L Mb = Ma – L.Fya Mb = Mc – K.L.Fxc
Y X
C
Sb = i.Mb/Z Ejemplo de utilización: Las tablas KELLOGG para verificar la L y el Lazo de Expansión plano.
I-6
A.
SISTEMA EN “L” SOMETIDO A SU PROPIA DILATACION L=3m B
A
K.L
Y X
C
Tenemos un sistema en “L” :
Diámetro 4” Sch 40 ( D = 110 mm, Espesor = 7.11 mm ) El brazo AB mide 3 m Material API 5L Gr. B Temperatura 2778C Buscamos: • •
El brazo necesario BC Las fuerzas y momentos en A y C
Sa = 127 MPa e = 3.33 mm/m 4 I = 301 cm
( De 20 8C a 2778C )
C = 3.965 x L x Sa = 3.965 x 3 x 127 = 0.45 1000 x e 1000 x 3.33 Entramos en la tabla C-5 con el valor 0.45 sobre la curva de Diámetro nominal 4” y leer K = 0.7 ( K < 1 ) Por lo tanto la longitud necesaria de BC es: K x L = 0.7 x 3 = 2.1 m Entrando en la tabla C-6, con el valor de K = 0.7, encontramos: A1 = 0.41 A2 = 0.225 A3 = 0.098 A4 = 0.165
Fxa = - Fxc = - 121.3 x A1 x I x e / L 2 = - 5539 N Fya = - Fyc = 121.3 x A2 x I x e / L 2 = 3040 N K< 1
Mza = 121.3 x A3 x I x e / L = 3972 N.m Mzc = - 121.3 x A4 x I x e / L = 6687 N.m
Inversamente, conociendo las dos longitudes AB y BC, obtenemos K1 y K2. Verificamos que la constante sea admisible y leemos el coeficiente C en la tabla C -5 y calculamos S = 252.2 x C x e L I-7
C-5 LONGITUD DEL BRAZO NECESARIO Sistema en L, en un plano sometido a su propia dilatación, con ambos extremos anclados. L A
B
K.L
C
L = Longitud de AB, en m e = Coef. de Dilatación, en mm/m Valor de E = 200000 MPa Sa = ( 1.25 Sc + 0.25 Sh ), en MPa
C = 3.965 x L x Sa 1000 x e
2
D I A M E T R O N O M I N A L
Multiplicar L por K para obtener la longitud necesaria BC
I-8
C-6 FUERZAS Y MOMENTOS Sistema en L, en un plano sometido a su propia dilatación, con ambos extremos anclados. Y Mz Fx
X
L (m) A
B
Fy m L . K
K < 1 C
Fxa = - Fxc = - 121.3 x A1 x I x e / L Fya = - Fyc = 121.3 x A2 x I x e / L 2 Mza = 121.3 x A3 x I x e / L Mzc = - 121.3 x A4 x I x e / L L (m) A
B
m
K > 1
L . K
C
Fxa = - Fxc = - 121.3 x A2 x I x e / (K.L) Fya = - Fyc = 121.3 x A1 x I x e / (K.L)2 Mza = 121.3 x A4 x I x e / (K.L) Mzc = - 121.3 x A3 x I x e / (K.L) F = Fuerza, en N M = Momento, en N.m El primer índice indica la dirección. El segundo indica el punto. El signo indica la acción de la tubería sobre el anclaje. = Momento de Inercia, en cm e = Coef. de dilatación, en mm /m Valor de E = 20000 MPa I
I-9
B.
SISTEMA EN “L” SOMETIDO A DESPLAZAMIENTO EN UN EXTREMO L=6m B A Y
d
K.L X C
Tenemos un sistema en “L” :
Diámetro 4” Sch 40 ( D = 110 mm, Espesor = 7.11 mm ) El brazo AB mide 6 m Material API 5L Gr. B Temperatura 2778C Desplazamiento en A de 25 mm Buscamos: El brazo necesario BC Las fuerzas y momentos en A y C • Sa = 127 MPa 4 I = 301 cm C = 3.965 x L2 x Sa = 3.965 x 62 x 127 = 0.725 1000 x d 1000 x 25 •
Entramos en la tabla C-7 con el valor 0.725 sobre la curva de 4” y leer K = 0.5 Por lo tanto la longitud necesaria de BC es: K x L = 0.5 x 6 = 3 m Entrando en la tabla C-8, con el valor de K = 0.5, encontramos: A1 = 8.0 A2 = 2.0 A3 = 0.68 A4 = 2.7 Fxa = - Fxc = - 12.13 x A1 x I x d / L 3 = - 3380 N Fya = - Fyc = 12.13 x A2 x I x d / L 3 = 845 N Mza = 12.13 x A3 x I x d / L2 = 1725 N.m Mzc = - 12.13 x A4 x I x d / L2 = - 6845 N.m Inversamente, conociendo las dos longitudes AB y BC, obtenemos K. Verificamos que la constante sea admisible y leemos el coeficiente C en la tabla C -7 y calculamos S = 252.2 x C x d L2 I - 10
C-7 LONGITUD DEL BRAZO NECESARIO Sistema en L, en un plano sometido a un desplazamiento longitudinal externo en un extremo, con ambos extremos anclados. L
A
d
B
K.L
C
L = Longitud de AB, en m e = Coef. de Dilatación, en mm/m Valor de E = 200000 MPa Sa = ( 1.25 Sc + 0.25 Sh ), en MPa C = 3.965 x L2 x Sa 1000 x d
Multiplicar L por K para obtener la longitud necesaria BC I - 11
C-8 FUERZAS Y MOMENTOS Sistema en L, en un plano sometido a un desplazamiento longitudinal externo en un extremo, con ambos extremos anclados. L
Y Mz
A
B
d
Fx X
K.L Fy
Fxa = - Fxc = - 12.13 x A1 x I x d / L Fya = - Fyc = 12.13 x A2 x I x d / L 3 Mza = 12.13 x A3 x I x d / L 2 Mzc = - 12.13 x A4 x I x d / L 2 F = Fuerza, en N M = Momento, en N.m El primer índice indica la dirección. El segundo indica el punto. El signo indica la acción de la tubería sobre el anclaje. = Momento de Inercia, en cm d = Desplazamiento en A, en mm /m Valor de E = 20000 MPa I
I - 12
C.
LAZO DE EXPANSION DE DILATACION SIMETRICA
K2.L
A’
A
Lc
K1.L
Lc
B
B’
L
Tenemos un lazo de expansión de 20” de diámetro, espesor 12.7 mm, A’B’ = 30 m L = 12 m, Lc = 3 m, K1.L = 6 m Desplazamiento d = 30 x 2.5 = 75 mm C=
L2 x Sa
= 0.0517
10 x D x d Entramos en la tabla C-11 con el valor 0.0517 Leemos sobre la curva: K1 = 0.5 K2 = 0.32 Por lo tanto la longitud K2.L = 3.84 m Entrando en la tabla C-12, con el valor de K1 = 0.5 y K2 = 0.32, encontramos: A1 = 0.55 A2 = 0.90 = 60645 cm4
I
Fxa = - Fxb = - 121.3 x A1 x I x d / L 3 = - 175600 N Mza = - Mzb = 12.13 x A3 x I x d / L 2 = 344823 N.m
I - 13
C-11 ALTURA NECESARIA Lazo de Expansión de dilatación simétrica
K2.L
Guía A’
A
Lc
K1.L
Lc
Guía B
L
L = Longitud entre A y B, en m Lc = 0.5 L ( 1 – K1 ) d = Dilatación entre A’ y B’ D = Diámetro exterior, en mm Sa = Constante Admisible ( 1.25 Sc + 0.25 Sh ) Valor de E = 200000 MPa
L x Sa C=
10 x D x d
Multiplicar L por K1 y K2 para obtener las dimensiones del Lazo de Expansión. I - 14
B’
C-12 FUERZAS Y MOMENTOS Lazo de Expansión de dilatación simétrica Y
K2.L
Guía A’
Lc
K1.L
Lc
Mz Fx
Guía B
X B’ Fy
L
Fxa = - Fxb = - 121.3 x A1 x I x d / L Mza = - Mzb = 12.13 x A2 x I x d / L 2 F = Fuerza, en N M = Momento, en N.m I = Momento de Inercia, en cm El primer índice indica la dirección. d = Desplazamiento entre A’ y B’, El segundo indica el punto. en mm /m El signo indica la acción de la tubería Valor de E = 20000 MPa sobre el anclaje.
I - 15
1.3 Método de “GUIDED CANTILEVER” Es un método aplicable a sistemas tridimensionales, es de fácil utilización. Los resultados son muy desfavorables, no se utilizan para los casos donde los esfuerzos admisibles son respetables. Pueden servir como criterio de aceptación global, basados en la constante admisible. Se aplica a sistemas mas complejos que el Método “SQUARE CORNER”: • • •
Dos puntos anclados en los extremos Inercia constante Cualquier numero de brazos en el espacio, pero siempre paralelos a los ejes de coordenadas.
Las hipótesis son las siguientes: •
Las deformaciones totales en una dirección ( X por ejemplo ), son absorbidas en flexión únicamente por los brazos perpendiculares ( Y y Z en este ejemplo ).
•
Cada brazo actúa como una viga empotrada en ambos extremos, ninguna rotación es permitida en los codos. Si el brazo se deforma Dx, el crea una fuerza Fx, donde 12 E . I . Dx Fx =
•
L3 Cada brazo L va a soportar una deformación proporcional al termino: L3 12 E . I
Como E e I son constantes, cada brazo va a soportar una deformación proporcional al cubo de su longitud. El procedimiento es el siguiente:
Y
2 3 1 Z 0 4 5 I - 16
X
•
Tenemos SL3 la suma de los cubos de las longitudes rectas, SLx3 la suma de los cubos de las longitudes rectas perpendiculares a la dirección X, Dx la dilatación total del sistema. El brazo 0-1 va a soportar las deformaciones: L013
dx =
3
S(L
dy =
Dx
3
– Lx )
L013 3
S(L
3
– Ly )
Dy
Estos valores son comparados a la deformación máxima admisible d, por el brazo 0-1, a la constante máxima Sa. 106 L012 . Sa
d=
•
3 E.D
d en mm L en m Sa en MPa E en MPa ( 200000 MPa ) D en mm
Tenemos d m el mas grande los valores dx, dy, dz, del brazo considerado. •
Si dm < d significa que el brazo posee una flexibilidad suficiente y que la constante esta cerca de: Se =
Sa . d m d
•
Si dm > d significa que el brazo no es suficiente. En este caso, se afina el método aplicando un coeficiente f corrector, para tomar en cuenta la rotación de los brazos adyacentes. La deformación viene como f . d Si Si
dm < f . d dm > f . d
El brazo es aceptable. El brazo no es aceptable.
El momento en la extremidad deriva de la fuerza por la relación: M =
0.833 Se . Z
Sa . d m Se =
12000
d
en MPa
M en N.m Z Modulo de flexión en cm3 I - 17
METODO: Consideramos la viga siguiente, empotrada en el punto A y libre en el punto B.
d A B 3.E.I F =
.d
L
M = F.L Se = Si
D 2 .I
.M
3 de donde Se = 2
x
L
.d
entonces L =
3.E.D 2 . Se
.d
E = 200000 MPa y Se = 180 MPa D en pulgadas, d en mm y L en m 24 . L 2
d =
E.D
D
D.d ó
L =
24
EMPLEO: Este método es utilizado con frecuencia para concebir los sistemas de tuberías, y el calculo posterior justifica a menudo su empleo. No se puede tomar como una panacea, pero se debe conocer bien su campo de aplicación, para saber porque el es apropiado. CONCLUSION: No puede ser aplicado ciertamente, debido a que el no puede, por si solo, justificar la constante en los codos. Puede sin embargo ser admitido como criterio de aceptación cuando todas las precauciones son tomadas, para disminuir el momento en los codos. Se aplica con mas tranquilidad cuando los diámetros son mayores, si los codos son Mitrados. I - 18
CUANDO UTILIZARLO:
DX
b
No Aplicable ( b muy corto )
Aplicable
Descensos de Columnas ( Verificar que la línea no se levantara en el soporte S )
b
a
S DZ
a DX
b
I - 19
Líneas que salen del Pipe-Rack
b
Ramales ( Tener en cuenta el coeficiente de sobre esfuerzo de la conexión )
DX
CUANDO NO UTILIZARLO: •
Sistemas con brazos de longitud equivalente, cuando las deformaciones son iguales, o tridimensionales.
•
Sistemas conectados a equipos rotativos o a recipientes en vacío.
•
Sistemas con Codos Mitrados, ya que el método puede ser en ese caso optimista, teniendo en cuenta su característica de flexión.
1.4 Método de “FREE CANTILEVER” Este método se aplica a los sistemas en “L”. Corresponde a la formula de una viga empotrada en un extremo y libre en el otro: 3 . E . I . Dl F =
L3
Usualmente se utiliza bajo la forma: 24 . L 2 Dl
=
D . Dl ó
D
L = 24
I - 20
Donde: D = Diámetro, en pulgadas Dl = Desplazamiento absorbido por el brazo “L”, en mm L = Longitud del brazo, en m Basado en el modulo E = 20000 daN/ mm2 y una constante admisible Se = 180 MPa Este método esta esta restringido a casos simples en “L”. El puede estar considerado considerado como criterio de aceptación, debido a que permite un predimensionamiento rápido, de los brazos necesarios, en la fase de Lay-out.
2. MÉTODO TENIENDO EN CUENTA LOS CODOS son:
Ellos son son menos numerosos y mucho mas complejos. Los principales que encontramos •
El método “Tube-Turn”, para sistemas en “L”, “U” y “Z”, dando resultados satisfactorios en las constantes, pero los esfuerzos son delicados de calcular.
•
El método “Flex. Anal. Charts”, de la Power Piping Company. Permite en calculo de lazos de expansión planos, sistemas en “U” y en “L”. Se aplican en casos particulares por lo cual, frecuentemente, pueden ser difícilmente aplicados a casos corrientes. Este método es excelente, pero de difícil aplicación.
Conclusión: No existe ningún método que a la vez sea s ea simple y preciso. Es preferible ser practico y no reservar los métodos mas simples y cubrir la mayoría de los casos que se encuentran frecuentemente.
3. ELECCION DE LOS METODOS A APLICAR Tenemos un sistema de tuberías con codos no mitrados, ( los codos mitrados son objeto de un calculo mas detallado ), del cual queremos verificar la tendencia que ejerce la temperatura en el sistema. sis tema. Debemos hacernos las siguientes preguntas: •
¿El sistema es unifilar, o puede ser llevado a un sistema unifilar de diámetro constante?.
I - 21
•
¿Si el estudio de su flexibilidad puede ser llevado al estudio de una parte simple en la cual ningún soporte impida la dilatación?. Ej.:
•
Un soporte simple no impide las dilataciones dilatacione s principales de un lazo de expansión, ni tampoco impide que se levante.
Si el sistema puede ser estudiado con un método simplificado. a) Si los esfuerzos en los extremos no son preponderantes para la aceptación de la flexibilidad, ( el caso de líneas sobre el Pipe-Rack ), se emplearan los criterios de verificación de la constante. ÿ ÿ
Para los sistemas en 2 o 3 dimensiones donde los brazos sean de longitudes similares: Método del B 31.1 o B 31.3. 31.3. Para sistemas en 2 dimensiones donde los brazos son preponderantes, es decir, para la búsqueda del brazo necesario para compensar la dilatación L, se utiliza el Método de “CANTILEVER”. D . Dl L =
24
b) Si el conocer los esfuerzos en el extremo es necesario para una junta de expansión, un sistema en “L” o un sistema en 3 dimensiones donde una dirección sea muy corta, para con respecto a las otras 2, se utilizara el Método de “SQUARE-CORNER”. c) Si el sistema no entre dentro de estas categorías, ningún método simple será aplicable.
I - 22
SECCION II
SOPORTES DE TUBERIAS 1.
GENERALIDADES
Esta capitulo establece los criterios básicos para la selección de soportes de tuberías. La complejidad y precisión cada vez mayor de ciertos cálculos; el empleo de herramientas sofisticadas como los programas informáticos, necesarios para la realización del estudio, nos lleva a la necesidad de la existencia de especialistas especialistas de Análisis de de Flexibilidad. Pero estos especialistas no deben, evidentemente, estudiar todas los sistemas de tuberías, por lo tanto el trabajo en conjunto, entre el especialista y el diseñador, se hace necesario para de esta manera transmitir ciertos avances para un buen desarrollo de un Proyecto en el momento de concepción de un ruteo antes que en el momento del cálculo pr opiamente dicho. La soportería cubre el conjunto de los dispositivos relativos a la tubería y a su estructura circundante, y tiene como finalidad: • •
2.
Soportar el peso de la tubería así como la de los equipos asociados a ella. Orientar y absorber los efectos de las solicitaciones ejercidas por la tubería, sobre el medio ambiente y sobre ella misma, tales como el peso, el viento o la expansión térmica; y de manera general, eliminar o limitar de uno a seis grados de libertad un punto particular de la tubería.
DISEÑO DE TUBERIAS TUBERI AS EN FASE DE LAY-OUT
Este tiene como finalidad transmitir, durante el diseño, las informaciones necesarias para el buen desarrollo del proyecto, ( costos, retraso, problemas posteriores, etc. ), tanto a las secciones de instalación concernientes, como a los servicios que tienen interfaces con la tubería.
2.1
Documentos necesarios para el diseño de tuberías en fase de Lay-out
2.1.1 2.1 .1 Documentos de base del proyecto • • • • • • •
Procedimientos particulares ( Instalación, soportería, calculo, aislamiento ). Procedimientos Procedimientos del cliente o especificaciones particulares ( si aplica ). Instrucciones de estudio. Estándar de soportes ( calientes y frías si aplica ). Clases o especificaciones de tuberías. Lista de líneas y PFD’S. Lista de líneas a calcular.
II - 1
2.1.2 Documentos complementarios necesarios para el diseño • • • • •
2.2
Planos Lay-out de tuberías. Planos civiles ( Estructuras, concreto, planos de áreas ). Planos de recipientes ( Columnas, Esferas, Intercambiadores, Enfriadores por Aire, etc. ) y/o equipos rotativos. Los datos de base de Procesos de las válvulas de alivio para el calculo preliminar de las fuerzas. Los formatos a completar para la definición de los Brackets sobre equipos.
Documentos e información a transmitir por el Proyectista de Instalación a la Sección de Flexibilidad •
•
Durante toda la duración del estudio y diseño de las tuberías y siguiendo la Lista de Líneas a Calcular , el proyectista deberá transmitir a la sección de análisis de flexibilidad los isométricos de base de las líneas, con las posibilidades de soporte (posición, funciones posibles y tipo de soporte: brackets, estructuras independientes, soporte de apoyo o colgante, etc.), e informar al analista todas las modificaciones de trazado, de diámetro, de clase, etc. que puedan intervenir en el diseño por diversas razones. Dar prioridad a las líneas criticas de nivel 3, cuyo calculo es determinante a nivel de implantación y montaje de equipos, obras civiles o los limites de fuerzas admisibles sobre los equipos. Las prioridades siguientes pueden dar rápidamente una idea del orden de los sectores de estudio del proyecto: Líneas de diámetro superior a 12”, sobre el Pipe Rack, con ubicación de las vigas de anclaje, posición de los lazos de expansión, cambios de dirección, etc. Líneas conectadas a equipos rotativos ( Compresores, Bombas calientes, • Turbinas, etc. ) Líneas sobre equipos prefabricados o que se necesiten soportes proveídos por • el fabricante con el equipo ( Hornos, Columnas, Reactores, Enfriadores por aire, Intercambiadores ). Para las líneas concernientes, los pre-estudios de soportes y la entrega de isométricos a flexibilidad, se harán también en función de los criterios siguientes: •
•
• • • • • •
Líneas calientes en acero especial o inoxidable, líneas enchaquetadas, etc. Líneas prefabricadas por un fabricante particular. Líneas con Juntas de expansión. Líneas con red de válvulas de alivio ( Aguas arriba y aguas abajo ). Líneas de acero inoxidables frías o criogénicas. Líneas con presión = 100 bars.
II - 2
3.
PRINCIPIOS DE SOPORTERIA SOBRE PIPE RACK
3.1
TIPOS DE SOPORTES Los diferentes tipos de soportes tienen cada uno sus propio funcionamiento: •
Tipo L
•
Tipo GL
Ü
•
Tipo GT
Ü
•
Tipo SA
Ü
•
Tipo A
•
Tipo GV
Û
Retiene el Peso de la Tubería. Libertad de movimiento en las otras direcciones y las rotaciones.
Ü
Û
Û
Û
Û
Û
Retiene el Peso de la Tubería + Guía Longitudinal. Libertad de movimiento axial y las rotaciones. Retiene el Peso de la Tubería + Guía Transversal. Libertad de movimiento transversal y las rotaciones. Retiene el Peso de la Tubería + Guía Longitudinal y Transversal. Libertad solamente en las rotaciones. Bloquea todos los movimientos y las rotaciones.
Ü
Ü
Bloquea los desplazamientos laterales. Libertad vertical de la tubería.
Recuerde: • • • • • •
L GL GT SA A GV
= = = = = =
Libre Guía Longitudinal Guía Transversal o Stop Semi Anclaje Anclaje Guía Vertical
II - 3
3.1.1. Tipo “ L “ Su función es servir de apoyo a la tubería, o sea, previene la reflexión de la tubería por su propio peso. La distancia entre dos soportes es en función del diámetro de la línea y de su estado ( liquido o gaseoso; aislada o no ). Cuando la tubería llega a un cambio de dirección, o entra o sale del Pipe Rack, se deben respetar los puntos de soporte, para reducir al máximo la deflexión vertical de la tubería.
TABLA 3.1-A SPAN MAXIMO PARA TUBERÍA CON ZAPATA
DIAMETRO (pulg.)
SPAN MÁXIMO (mm)
1”
2150
1.5”
3000
2”
3350
3”
4800
4”
5800
6”
7600
8”
8800
10”
10300
12”
10900
14”
11300
16”
11800
18”
12200
20”
12500
24”
13100
Notas: Los valores de span máximo son para tuberías horizontales en línea recta (sin cambio de dirección). Para tuberías horizontales con un cambio de dirección ver gráficos anexos. Los valores de la tabla están calculados en base a una deflexión vertical máxima de 13 mm. II - 4
TABLA 3.1-B
SPAN MÁXIMO PARA TUBERÍA SIN ZAPATA
DIAM./SCH
SCH.10S SIN PAD
CON PAD
SCH.STD SIN PAD
CON PAD
SCH.XS SIN PAD
CON PAD
1”
4000
4300
4600
1.5”
4800
4800
5200
2”
5500
5500
5500
3”
6400
6700
6700
4”
7000
7600
7600
6”
7300
8800
9100
8”
6000
9150
10000
10400
10”
5500
10000
11200
11600
12”
4500
10700
11800
12200
12200
14”
11000
10000
12500
12800
16”
11600
8800
13100
11000
13400
18”
10300
7000
13400
9700
14000
20”
11500
6700
14000
8800
14600
24”
10400
5200
14900
7000
15500
30”
6700
36”
4600
Notas: Las distancias están dadas en milímetros. Los valores de span máximo son para tuberías horizontales en línea recta (sin cambio de dirección). Para tuberías horizontales con un cambio de dirección ver gráficos anexos. Los valores de la tabla están calculados en base a una deflexión vertical máxima de 13 mm. -
II - 5
3.1.2. Tipo “ GL “ Su función es hacer que la tubería, en su movimiento, siga un camino determinado. El espaciamiento entre dos guías esta dado en función del diámetro da la línea.
TABLA 3.2 DISTANCIAMIENTO ENTRE GUIAS
DIÁMETRO EN PULGADAS
TUBERÍA HORIZONTAL
TUBERÍA VERTICAL
1”
2000
3000
1.5”
3000
4000
2”
6000
4000
3”
6000
5000
4”
6000
5000
6”
12000
6000
8”
12000
7000
10”
12000
8000
12”
18000
9000
14”
18000
9000
16”
18000
10000
18”
18000
10000
20”
18000
12000
24”
18000
12000
DISTANCIA MÁXIMA ENTRE GUÍAS EN mm.
II - 6
3.1.3. Tipo “ GT “ Este tipo de soporte se utiliza generalmente cuando se quieren controlar los desplazamientos térmicos de la línea, dejando que se mueva libre lateralmente. Es un tipo de soporte que se emplea normalmente en las líneas de bombas y de válvulas de alivio.
3.1.4. Tipo “ SA “ y “ A “ Estos soportes tienen como función bloquear el movimiento de la línea, permitiendo así controlar la dilatación de la tubería y, de igual manera, conocer las fuerzas generados por ellos. El tipo “ A “ se utiliza usualmente en los limites de batería.
3.1.5. Tipo “ GV “ Este soporte permite la dilatación térmica vertical de la línea, y la protege de los efectos exteriores, tales como viento y sismo. ( Para distanciamiento entre guías verticales ver tabla 2.3 ).
Importante: Para el caso de líneas calculadas, se deberá respetar el tipo de soporte y las distancias entre soportes indicadas en la Nota de Calculo, aunque estos sean diferentes a los mencionados aquí.
3.2
VIGAS ADICIONALES Los planos civiles tienen que ser emitidos para construcción rápidamente, por lo tanto, deben ser transmitidos, lo antes posible, todas las vigas necesarias para soportar nuestras tuberías. Las vigas adicionales son frecuentemente necesarias en los siguientes casos: • • • •
Encima de las Bombas. A nivel de los Lazos de Expansión. Unión entre Vigas principales e intermedias para líneas de pequeño diámetro que atraviesan el Pipe Rack. Pórtico falso en caso de líneas exteriores del Pipe Rack ( Línea del Flare, etc. ).
De igual manera deben indicarse las cargas verticales y su posición. Concerniente al nivel de vigas adicionales se proveerá un suplemento del nivel, generalmente de:
II - 7
• • • • •
3.3
100 mm para todas las líneas con aislamiento < 70 mm. 150 mm para todas las líneas con aislamiento > 70 mm. 100 mm para todas las líneas de acero aleado no aisladas. 0 mm para todas las líneas de acero al carbono no aisladas ( Atención: cada vez mas clientes piden una zapata de 100 mm también para estas líneas ). Ver la sección de Flexibilidad para el suplemento de líneas no metálicas.
FUERZAS EN RUTEOS EN L GUIADOS
Cuando se quiere verificar la flexibilidad de una tubería por medio de tablas o de formulas, se debe convertir en una configuración de un modelo típico.
Ejemplos: Vista en Isometría
Vista en Planta
L1
A
L1 L2 A
L3 L3 B
B
Modelo Equivalente Sistema en “ L “
? L1 L1
A
A
L2 + L 3
L1 + L 2 L3
y
y z
? L3
z x
B
II - 8
x
B
Ejemplo N° 1: 80
D = 10” T = 300 °C Tref = - 10 °C 4 I = 47300000 mm E = 20000 daN/mm2
32 5000
8000
1000 15000
y
0 0 0 1
z
1000
x
3 x E x I x ?l Formula:
FX =
FZ =
Formula:
F =
L3
3 x 20000 x 4730x104 x 80 3
=
444 daN
=
726 daN
8000
3 x 20000 x 4730x104 x 32 3
5000
L=
F x ?l 24
Brazo mínimo: LZ =
LX =
10” x 80
= 5800
24 10” x 32
= 3700
24 II - 9
3.4
LAZO DE EXPANSION
Para absorber la dilatación térmica en las grandes longitudes de los Pipe Rack se acostumbra la utilización de Lazos de Expansión. La dilatación entre dos anclajes es absorbida por las longitudes “ B y H “ de la tubería.
B W
B
H
L1 G
LB
L A LA
La dilatación total es absorbida por: 2 ( B + H ) F x ?L Formula:
H=
24
donde: H ?L F 24
= = = =
Longitud del brazo del lazo de expansión, en m Dilatación de la tubería correspondiente a la longitud L’ = max. de ( L A , LB ), en mm Diámetro nominal de la tubería, en pulgadas Constante
II - 10
Observaciones: • •
•
•
W deberá ser aproximadamente 1/3 de la longitud de B pero esta no será una regla restrictiva, ya que dependerá de la distancia entre dos pórticos de la estructura. Los lazos de expansión estar, en lo posible, equilibrados ( L A ˜ L B ). Si el lazo no esta centrado, tomar el brazo mas largo. En caso de desequilibrio superior a un pórtico, ver al analista de flexibilidad. Para los sistemas de alivio, líneas de vapor, las líneas en fase mixta o sujetas a golpe de ariete o equivalente se preverá una viga de soporte en el eje del lazo de expansión para colocar la guía transversal. Para las líneas no calculadas y de diámetro > 4”, la 1ª guía, junto al lazo, deberá estar sobre un pórtico principal.
Ejemplo N° 2:
H
B
A 6000
6000
4000
1500
1500
6000
6000
L = 56000 F = 12” T = 310°C a ? T(T) = +3.75 mm/m ?L/ m = 4.08 mm/m
Sch. = 40 TRef = -10°C a ?T(Tref) = -0.33 mm/m ?L = 228 mm
12” x 228 H =
= 10750
24
Fuerzas en los Anclajes: 3 x 20000 x 11600x104 x 115
3 x E x I x ? L Formula:
F =
3
=
H
10750
Fuerzas en A o B = 650 daN
II - 11
3
= 650
3.5
ESFUERZOS FIJOS
En ciertos Proyectos el tiempo de entrega es muy corto, por lo tanto, desde el comienzo de los estudios y diseño de Pipe Rack se debe hacer una estimación de los esfuerzos sobre los limites de batería y otros anclajes, para así transmitirlas lo mas rápido posible al grupo Civil. A manera de referencia, pueden tomarse las siguientes estimaciones:
F Guía
F 2” a 6”
=
=
F = 50 daN x F”
=
F = 75 daN x F”
=
F = 50 daN x F”
F Guía
F 8” a 24”
=
F Anclaje F 2” a 24”
=
F x 2
Recuerde:
Las guías y los anclajes deben ir sobre los pórticos principales, excepto las guías para líneas F = 4” se pueden ubicar en pórticos intermedios de ser necesarias.
EJEMPLO:
Anclaje sobre el Pipe Rack.
FX’ FX
Anclaje “A”
? = Esfuerzo térmico. ƒ = Esfuerzo de fricción.
II - 12
Anclaje “ A “ : S? + ƒ = F X
Esfuerzo = F X - FX’
S?’+ ƒ’ = F X’
Por seguridad tomar como mínimo 50% F X, si F X - FX’ < 50% Ejemplos:
3.6
1.
F X - FX’ = 1000 daN – 700 daN = 300 daN Se toma 500 daN por seguridad
2.
FX - FX’ = 7000 daN – 2000 daN = 5000 daN Se toma 5000 daN
RAMALES CONECTADOS A UN CABEZAL Existen principalmente dos casos de ramales conectados a cabezales en el Pipe Rack: 1° Caso:
El cabezal y el ramal tienen una diferencia de 1 o 2 diámetro. Ejemplo: 20” 16”; 6” 4”; 3” 2”. Te o tubería reforzada en el cabezal.
2° Caso:
El cabezal y el ramal tienen una diferencia de superior a 2 diámetro. Ejemplo: 20” 12”; 16” 8”; 6” 2”. Pipe to Pipe reforzado en el cabezal.
3.6.1 Brazo Necesario A fin de minimizar los esfuerzos en la conexión ramal, se deberán aplicar las siguientes formulas, permitiendo definir el brazo necesario para absorber la dilatación:
a) Caso N° 1 ( ver anexo 1 ): Sobre el ramal se debe prever un soporte tipo “SA” o uno tipo “A”, en el limite de batería, a ˜ 12 metros del cambio de dirección. Si es posible colocar una “GT” sobre el cabezal al nivel del primer pórtico principal, esto a fin de disminuir la longitud L 1. Además la posición de dos guías “GL”, en el cabezal, deberán permitir la dilatación del ramal.
Calculo de L 1: ? x ( ?L + ?L’ ) L1 =
x
24
donde: SIF = Factor de Intensificación de Esfuerzos. ? = Diámetro del Cabezal, en pulgadas. ?L,L’= Desplazamiento térmico, en mm. II - 13
SIF
b) Caso N° 2 ( ver anexo 2 ): Sobre el ramal se debe aplicar siempre el mismo principio un soporte tipo “SA” o tipo “A”, pero además generalmente es necesario un brazo suplementario en el ramal, antes de la conexión al cabezal. Porque la diferencia de diámetro, entre el ramal y el cabezal, no permite a éste desplazarce (esfuerzos muy fuertes a nivel de la conexión ramal).
Calculo de L 1: ? x ?L” L1 =
x
SIF
x
SIF
24
Calculo de L 2: ? x ? L’ L2 = 24 donde: SIF = Factor de Intensificación de Esfuerzos. ? = Diámetro del Ramal, en pulgadas. ?L’,L”= Desplazamiento térmico, en mm. Cuando el anclaje esta muy alejado de la conexión (L 1 o L’ insuficientes), se deberá colocar un lazo de expansión suplementario sobre el cabezal o prever un trazado mas flexible y aumentar el brazo L 1 (ver anexo 2). Nota:
Estas formulas simplificadas no deben aplicarse sino a líneas con las características siguientes: Materiales: Temperatura: Diámetro: Schedule:
Acero al Carbono ¢ 420 °C £ 24” 40 - STD - 30 - 20
No se debe utilizar jamas en líneas de acero inoxidable o aliado, con una temperatura $ 420 8C y de espesor débil como 10S - 5S. Estas no son mas que aproximaciones concernientes al brazo necesario, en caso de duda debe consultarse a los especialistas de flexibilidad y soportería. Importante:
Estas formulas no se deberán utilizar en el caso de líneas conectadas a equipos rotativos.
II - 14
B.L. “A”
L’ “GL”
L1
F
“SA”
l m a R a
“L” A N E X O
?L “GL”
“GL”
?L’
1
“L” “GT”
L “GL” “GL”
F
“L”
L
“L”
C a b e z a l
“GL”
B.L.
“L”
“A”
II - 15
B.L. “A”
L’ L2
“GL” F
“GL”
L1
C a b e z a l
F
“GL”
“L”
l m a R a
“SA” A N E X O 2
“GL”
L
B.L. “A”
L’ L2
“GL” F
“GL”
L1
C a b e z a l
F
l m a R a
“SA” A N E X O
“GL”
“L”
2
“GL”
L “L”
“SA”
B.L.
Trazado mas suave para aumentar el ramal.
“L”
II - 16
I
I I
I I V V I I
ANEXO 3
” ” 2 8
B.L.
“A”
I
I I
I I V V I I
ANEXO 3
” ” 2 8
B.L.
I I V
VI
II - 17
LINEA N 8
I
Para diámetros f 2”, 3”, 4” : GL en todos los pórticos principales. Para diámetros f 6” : GL cada 2 o 3 pórticos.
LINEA N 8
II
Verificar si en la intersección del Pipe Rack la longitud de línea en vertical es suficiente para absorber la dilatación desde el anclaje del B.L., si no prever un quiebre suficiente y un SA o GT sobre la otra parte.
LINEA N 8
III
Lazo de Expansión. GL y Anclaje de cada lado.
LINEA N 8
IV
Manifold en el suelo.
LINEA N 8
V
Línea Calculada. Seguir la Nota de Cálculo. desplazamientos ( Cabezal + Tramo Vertical ).
LINEA N 8
VI
Línea de Bomba.
LINEA N 8
VII
Línea que entra y sale del Pipe Rack.
II - 18
Tomar los dos
PIPE RACK CON 8000 mm ENTRE COLUMNAS LINEAS CON LIQUIDO
LINEAS CON VAPOR
NOTA:
Estas longitudes están basadas en Span continuo. II - 19
PIPE RACK CON 12000 mm ENTRE COLUMNAS LINEAS CON LIQUIDO
LINEAS CON VAPOR
NOTA:
Estas longitudes están basadas en Span continuo. II - 20
PIPE RACK CON 18000 mm ENTRE COLUMNAS LINEAS CON LIQUIDO
LINEAS CON VAPOR
NOTA:
Estas longitudes están basadas en Span continuo. II - 21
GRAFICO N8 1
II - 22
GRAFICO N8 2
NOTAS: 1. Las Longitudes C + D / 0.9 L 2. Las Longitudes C & D / 0.2 L 3. Para el valor de L ver Tabla 3.1
II - 23
GRAFICO N8 3
NOTAS: 1. Las Longitudes C + D / 0.9 L 2. Las Longitudes C & D / 0.2 L 3. Para el valor de L ver Tabla 3.1
II - 24
SECCION III
SOPORTES TIPO RESORTES 1. GENERALIDADES Las tuberías que transportan fluidos calientes o fríos tienen dilataciones o contracciones importantes que no deben ser impedidos. Al contrario estos desplazamientos deben estar “controlados" para evitar la creación de fuerzas o de esfuerzos elevados. Los soportes tipo resorte tienen como finalidad soportar el peso de la tubería y sus accesorios ( bridas, válvulas, etc.… ) todo permitiendo los desplazamientos verticales debidos a la dilatación.
2. NECESIDAD DE SOPORTES TIPO RESORTES Los soportes tipo resorte son empleados cuando el desplazamiento vertical no permite la utilización de un soporte fijo, apoyado o colgante, o porque el desplazamiento crea una fuerza vertical superior la del peso ( el soporte se levanta ); o porque el desplazamiento crea una fuerza excesiva sobre la boquilla de un equipo o esfuerzos muy grandes en la tubería o en un elemento de soporte. En estos dos casos el apoyo fijo no puede ser utilizado. Para soportar el peso de la tubería y permitir el movimiento vertical se deberá utilizar un soporte elástico.
EJEMPLO N 8 1:
0 0 1 5
S1
Temperatura de Calculo = 300 8C Coef. De expansión a = 3.6 mm /m 0 0 0 2
f = 10” SCH 20
La dilatación total en el punto S1 es alrededor de 7 mm hacia arriba y se ha verificado que el peso es insuficiente para que la tubería repose sobre el soporte. El peso esta
III - 1
entonces completamente soportado por la boquilla del equipo. Si este no es aceptable se utilizara un soporte tipo resorte.
EJEMPLO N 8 2: 0 0 1 5
0 0 0 2
S1
En este caso la dilatación total de 7 mm esta dirigida hacia abajo. La tubería es seguro que se va a posar sobre el soporte, pero la dilatación crea esfuerzos excesivos en la tubería y en el soporte. En ese caso se utilizara un soporte tipo resorte.
3. LOS DIFERENTES DISPOSITIVOS DE SUSPENSION ELASTICA 3.1
Los Soportes a Contrapeso Estos soportes tienen un comportamiento completamente constante. Ellos están constituidos por un contrapeso que equilibra el peso de la tubería y tiene la ayuda de un dispositivo a palanca o por cable. Estos soportes no se utilizan prácticamente nunca por las siguientes razones: ÿ ÿ ÿ
Multiplican el peso sobre la estructura ( x2 ). Son un riesgo para las personas y los equipos en caso de ruptura. Son sensibles a vibraciones, son de incomodo y difícil mantenimiento.
No obstante son utilizados en los casos de pequeñas cargas < 100 daN y de grandes desplazamientos. En ese caso son mas ventajosos que los soportes tipo resorte.
III - 2
3.2
Los Soportes Tipo Resorte El empleo de resortes permite realizar soportes elásticos de pequeñas dimensiones, pudiendo ser calibrados con una carga dada, habilitados de un dispositivo de bloqueo, son de fácil mantenimiento. Existen dos familias de soportes tipo resorte:
a) Los Resortes de Carga Variable Estos están constituidos por un resorte helicoidal funcionando a compresión. El desplazamiento vertical genera una variación en la resistencia resorte y por lo tanto en la fuerza de reacción de este, esto es lo que hace que sean llamados de carga variable.
b) Los Resortes de Carga Constante Estos proveen una fuerza de reacción constante en el recorrido de expansión o contracción vertical de la tubería. Esto es conseguido a través del uso de uno o varios resortes en espiras, o un dispositivo de palanca angular, o bien una combinación de ambos sistemas.
4. RESORTES DE CARGA VARIABLE Se utilizan para soportar tuberías o equipos sometidos a desplazamientos verticales limitados. Puede ser el mas adecuado cuando el movimiento térmico de la tubería sea moderado y existan fuerzas verticales. La fuerza aplicada varia de una manera lineal al desplazamiento. El empleo de este tipo de soportes estará limitado en los casos donde, teniendo en cuenta la rigidez del resorte, la variación de carga, entre la posición en frío y la posición de operación, sea inferior a 25%. Esto en la medida que la tubería y los equipos conectados puedan soportar los esfuerzos suplementarios debidos a la variación de fuerza del resorte.
Figura 4-1 III - 3
El principal componente de estos soportes consiste en un resorte helicoidal sobre el cual reposa un pistón en el que se aplica una fuerza la cual comprime un resorte. El conjunto viene encerrado dentro de un cilindro fabricado en lamina metálica, el cual posee dos ranuras verticales que permiten la inspección de todas las espiras del resorte. En general, están recubiertos con una pintura anticorrosiva, en cuyo caso, el cilindro que encierra al resorte es de construcción soldada. Si por el contrario, dadas las condiciones del medio se requiere que el resorte sea galvanizado, la placa superior del cilindro es apernada como se muestra en la figura. En este caso el resorte estará recubierto de neopreno o materiales similares. En ambientes extremadamente corrosivos y/o de alta temperatura, pueden especificarse incluso resortes de acero inoxidable con el recubierto cilíndrico completamente soldado. Estos cuentan con dos pines o pasadores que tienen la función de bloquear el resorte durante el periodo comprendido entre la salida de la fabrica y la puesta en marcha de la línea. Los resortes a carga variable ejercen una fuerza de reacción variable a medida que la tubería se mueve verticalmente. Esto se debe a la elongación y contracción del resorte. El resorte es precargado en fabrica (cargado en frío). Movimientos verticales hacia arriba causan la extensión del resorte y reducen la carga ejercida por este, movimientos hacia abajo lo comprimen y aumenta la carga ejercida por el. Lo primordial en el uso de resortes es seleccionarlo y ajustarlo para que la carga que este ejerce sobre la tubería compense el peso de la misma, después del movimiento térmico de la misma a su posición de operación. Simultáneamente, es deseable que la diferencia entre la “carga en frío” y la “carga en caliente” no sea excesiva.
POSICION EN FRIO
40 mm
35.5 KN
POSICI N EN CALIENTE
23.9 KN
40
mm
23.9 KN 23.9 KN
Figura 4-2: Posiciones Relativas “Frío” y “Caliente” III - 4
La carga de instalación (precarga o “carga en frío”), de un resorte variable, se puede calcular por la siguiente ecuación: Carga en Frí o = Carga en Caliente + ( Con st. del Resort e x Desplazamien to )
( Ec. 4A )
Donde: Ca rg a e n Fr í o : Carga en Caliente :
Carga de instalación o pre-carga, en N. Carga total en el soporte, determinada a partir de las cargas sostenidas (peso), mas los accesorios del soporte que puedan estar cargando al resorte, en N. Cons t. del Resorte : La constante del resorte de carga variable, en N/mm. Desplazamiento : Desplazamiento térmico esperado para la tubería en ese punto, desde la posición “en frío” o de instalación hasta la condición “en caliente” u operación. Donde el desplazamiento hacia arriba es considerado positivo, en mm. De esta ecuación es evidente que un resorte que este localizado en un lugar del sistema de tuberías donde el crecimiento es hacia arriba tiene una mayor “carga en frío” que “carga en caliente”, mientras que resortes que estén en lugares donde el desplazamiento es hacia abajo la “carga en frío” será menor que la que “carga en caliente”. Como se mencionó previamente, es deseable establecer un limite de variabilidad de la carga del resorte entre las condiciones en frío y caliente. Si la variabilidad permisible no esta definida, una buena practica es usar un limite de 625% como lo especifica la norma MSSSP58. En líneas de servicio critico o donde la “carga en frío” puede poner en peligro la confiabilidad del sistema, la variabilidad puede ser menor. Si la línea tiene grandes deformaciones térmicas o es de servicio muy critico entonces la mejor selección puede ser un resorte de carga constante. La variabilidad se puede medir por medio de la siguiente ecuación: Desplazamiento x Const . del Resorte Variabilidad =
( Ec. 4B )
Carga en Caliente
En cuanto a los valores limite de Variabilidad a ser adoptados en la practica, se pueden seguir las siguientes consideraciones: •
Para tuberías principales de centrales térmicas, plantas químicas o similares, con o sin pretensado en frío (cold springing), operando en las temperaturas en las que puede producirse el fenómeno de “self springing” (fenómeno que con el tiempo causa la transferencia progresiva de los esfuerzos generados en condiciones de operación a las condiciones normales), es conveniente asumir Variabilidad = 6 12%.
•
Para tuberías análogas a las mencionadas anteriormente y para tuberías secundarias, operando a temperaturas en las que no se prevé el fenómeno de “self springing”, es apropiado asumir Variabilidad = 6 18%, en caso de requerirse en la
III - 5
línea “cold springing”, y Variabilidad = 6 25% en caso contrario. Para esta ultima es aconsejable utilizar resortes de tamaño normal. •
Para tuberías sometidas a esfuerzos bajos, unidas a recipientes en los que las cargas que sobre ellos ejercen las tuberías no son preocupantes, se pueden asumir valores de Variabilidad superiores a los ya indicados, siempre que se consideren en el diseño, los esfuerzos y las fuerzas de reacción generadas en las boquillas de dichos recipientes.
Selección del Tipo de Soporte de Resorte El objetivo de la selección es tomar un resorte que funcione dentro de su rango de trabajo, es decir, que la carga en frío y la carga en caliente estén dentro del rango de carga de trabajo. Por otro lado, el efecto de la carga en frío resultante debe ser considerada. Los resortes se seleccionan según la configuración y usando tablas (ver tabla anexa), el procedimiento se describe a continuación: 1. Para seleccionar el resorte apropiado, es necesario saber la carga en caliente que este va a soportar, así como la cantidad y dirección del movimiento de la línea desde la posición en frío hasta la posición en caliente. 2. Localizar el valor de la carga en caliente de la tubería en la Tabla de Cargas (ver anexo), dentro de su rango de trabajo. Se debe conseguir el valor en la tabla, leyendo las columnas en dirección horizontal y en dirección vertical, preferiblemente en la zona central de la tabla. Esto es para dar mas posibilidad a que la carga en frío se encuentre dentro del rango de trabajo del resorte y para un tamaño de resorte optimo. 3. Para determinar la “carga en frío”, usar las constantes de resortes ubicadas en la parte inferior de la columna de la carga en caliente conseguida en el paso anterior. Se debe evaluar siguiendo el mismo sentido vertical del paso anterior y usando la ecuación Ec. 4A, hasta que la carga en frío este dentro del rango de trabajo del resorte. (se deben evitar los resortes triples y cuádruples, solo se pueden utilizar cuando la Variabilidad a conseguir sea un problema para los individuales). 4. Si el valor de la “carga en frío” no cae dentro del rango de trabajo para la primera elección, probar buscando la “carga en caliente” en la siguiente columna. Cuando la carga en frío y la carga en caliente estén dentro del rango de trabajo del resorte, el tamaño del resorte se lee en la parte superior de la columna. 5. Si es imposible conseguir un resorte de manera tal que ambas cargas se encuentren dentro del rango de trabajo, se debe considerar el uso de resortes de mayor rango de trabajo o usar un resorte de carga constante.
III - 6
6. El soporte debe ser comprobado para que su carga en frío no afecte negativamente el sistema de tuberías o boquillas. Por otro lado, se debe comprobar el soporte con el valor de Variabilidad permisible (ver Ec. 4B), según los lineamientos dados para ello. En caso de que la Variabilidad sea mayor que la permisible se debe tratar de elegir soportes con constante de resorte menor que la anterior o subir el tamaño del resorte. Otra opción sería elegir un soporte de resorte de carga constante. 7. Si existe incertidumbre en la determinación de la carga en caliente se debe tratar de usar un programa de computadora para determinarla o tratar de usar un menor valor para la variabilidad del resorte.
Ejemplo: En la Figura 4-2, una línea es soportada desde la estructura de acero de un PipeRack. La carga en caliente es de 23.9 KN y el desplazamiento vertical hacia arriba es de 40 mm. Se busca seleccionar un soporte de resorte. La línea es normal de proceso (servicio nocrítico). 1. El primer es buscar la carga en caliente de 23.9 KN en la tabla, en este caso se están despreciando los pesos de los accesorios del soporte, que también cargan el resorte. El primer valor conseguido para la carga en caliente es para un resorte de los tipos 216218. 2. La carga en frío, para constantes de resortes en la parte inferior de la columna y con la deflexión de 40 mm, se calculará siguiendo una dirección vertical de arriba hacia abajo, dado que el desplazamiento de la tubería es hacia arriba. Carga en Frí o = Carga en Caliente + ( Con st. del Resort e x Desplazamien to ) Car g a en Fr í o (216218) =
23900 N + ( 266.6 N/ mm x 40 mm ) = 34564 N
Car g a en Fr í o (216318) = 23900
N + ( 133.3 N/mm x 40 mm ) = 29232 N
En el caso de ambos resortes, tienen su carga en frío y su carga en caliente dentro de su intervalo de trabajo. Sin embargo, a falta de mayor información del sistema de tuberías, comprobaremos el soporte para una variación de carga en frío y en caliente de 25%. Desplazamiento x Con st. del Resorte
=
Variabilidad = Carga en Caliente
( 266.6 x 40 )
= 0.45 ó 45%
23900
La variación es muy grande para el 216218, así que probaremos con el 216318 que tiene una constante de resorte menor (por lo tanto el resorte es mas robusto). ( 133.3 x 40 )
Desplazamiento x Con st. del Resorte Variabilidad =
Carga en Caliente
III - 7
=
23900
= 0.22 ó 22%
En conclusión, el resorte 216318 es el mas adecuado a la línea y para el punto de aplicación de carga estudiado, solo bastaría comprobar si la carga de reacción del resorte puede ser soportada por la tubería. Los datos necesarios para hacer la requisición de un resorte de carga variable son los siguientes: • • • • • • • •
Movimiento Vertical, ( mm) Movimiento Horizontal, (mm) Mínima Longitud del Colgante X, (mm), (si aplica) Carga en Operación o Carga en Caliente, (KN) Carga de Calibración o Carga en Frío, (KN) Constante del Resorte, (N/mm) Tope de Recorrido para Prueba Hidrostática Carga de Prueba Hidrostática, (KN)
Cuando el resorte de carga variable está conectado por encima de la tubería, por medio de un soporte colgante, el desplazamiento horizontal de la barra que sale del pistón del resorte y se conecta a la tubería debería limitarse a 64 grados con respecto a la vertical.
L 4° 4° •
DH
•
DH
Figura 4-3 Estos soportes deben ser inmovilizados o bloqueados durante el montaje de las líneas, para pruebas hidrostáticas o durante la limpieza de las líneas. En el caso de sistemas críticos, altas temperaturas, tuberías y/o equipos sensibles, y en el caso de tener grandes desplazamientos y/o cargas elevadas sobre la tubería, se debe estudiar la posibilidad del uso de resortes de carga constante. III - 8
5. RESORTES DE CARGA CONSTANTE La reacción constante en el recorrido de expansión o contracción vertical de la tubería se logra a través del uso de un resorte de espiras en conjunto con una placa angular, de manera tal que la carga del resorte multiplicada por su distancia al punto de pivote de la palanca, sea igual a la fuerza de la tubería multiplicada por su brazo o su distancia al punto de pivote. Debido a su efecto de constancia en el valor de la carga , el resorte de carga constante se usa cuando se desee evitar en absoluto que los efectos de las cargas del peso ( y de las expansiones o contracciones térmicas ) se transfieran a las boquillas o soportes cercanos. Además, es usado generalmente para soportar líneas de sistemas críticos.
Figura 5-1 Una vez que se ha decidido el uso de un resorte de carga constante, los datos para su diseño deben ser suministrados al fabricante. Los soportes de carga constante generalmente dependen de diseños particulares para el espacio disponible de instalación, de la magnitud y sentido de las cargas y del desplazamiento térmico vertical “real” y “total”. El resorte es ajustado o precargado en fábrica para la carga especificada. Por lo anterior, se recomienda estudiar detenidamente las cargas, desplazamientos y el espacio disponible para el resorte antes de proceder a la selección del mismo. Los datos necesarios para hacer la requisición de un resorte de carga constante son: El Modelo ( puede incluir Figura, tipo, tamaño, acabado ); carga en caliente, desplazamiento vertical “real” y “total”, y su dirección; el tag, item o mark number, que sirve para indicar la posición del soporte en los planos de las líneas. III - 9
Un dato importante es que estos soportes deben ser inmovilizados o bloqueados durante el montaje de las líneas, para pruebas hidrostáticas o durante la limpieza de las líneas.
Consideraciones para la Selección del Tipo de Soporte de Resorte Las siguientes consideraciones pueden ayudar a seleccionar entre un resorte de carga variable o uno de carga constante: A. No se imponen cargas a equipos o soportes, cuando se utiliza un resorte de carga constante. Sin embargo, estos soportes resultan mas costosos que los resortes de carga variable que hagan el mismo trabajo y además ocupan más espacio. B. Los resortes de carga variable deben ser usados donde se verifica que la variación de la carga y sus efectos no son perjudiciales al sistema de tuberías y equipos conectados. C. Si los esfuerzos y reacciones son bajos, los resortes de carga variable son la elección más satisfactoria en la mayoría de los sistemas de tuberías no críticos, y en los sistemas críticos donde los movimientos verticales son de magnitud moderada. D. Para las líneas no críticas, los siguientes criterios para los desplazamientos verticales pueden servir de guía: Cuando los desplazamientos verticales son de 6 a 50 mm un resorte de carga variable puede ser el más adecuado; de 50 a 100 mm se debe estudiar la selección entre los resortes de carga variable o carga constante desde el punto de vista de diferencia en costos; generalmente la selección de resortes de carga constante es la más adecuada para movimientos verticales por encima de 100 mm. Por otro lado, se debe evitar el uso de resortes para desplazamientos menores de 2 mm, en cuyo caso se pueden sustituir por soportes ajustables.
III - 10
TB-1 : TABLA DE RESORTES VARIABLES ( TIPO LISEGA )
III - 11
TB-2 : TABLA DE RESORTES VARIABLES ( TIPO LISEGA )
III - 12
TB-3 : TABLA DE RESORTES CONSTANTES ( TIPO LISEGA )
III - 13
TB-4 : TABLA DE RESORTES CONSTANTES ( TIPO LISEGA )
III - 14
SECCION IV
SOPORTERIA SOBRE COLUMNAS 1. DILATACION DE LAS COLUMNAS Para las columnas de fraccionamiento, las temperaturas son diferentes en la parte alta y la baja. Nunca se toma la media de estas dos temperaturas pero si la media de las dilataciones relativas a las temperaturas de los puntos estudiados. Los movimientos de expansión térmica de las boquillas de los equipos, debido a las temperaturas de procesos, deben ser calculadas para analizar exactamente la conexión con las tuberías. Los movimientos de expansión térmica de cada elevación, en un recipiente vertical, viene dada por: La expansión térmica axial del faldón, mas, la suma de la expansión térmica axial de todo las zonas de la pared del recipiente de la temperatura de la constante debajo de la elevación sujeta. La expansión térmica se calcula de la siguiente forma: D = L a ( TO – T amb )
Donde: D = Expansión térmica en la dirección longitudinal o axial, en mm. L = Longitud de la tubería, en m. a = Coeficiente de expansión térmica, en mm/(m x °C). TO = Temperatura de operación del sistema, en °C. Tamb= Temperatura ambiente, en °C. La norma ANSI/ASME B31.3 nos da los valores de los coeficientes de expansión térmica para distintos materiales y temperaturas de operación, con respecto a una temperatura estándar de 21°C (70°F). A temperaturas superiores a las del ambiente, las columnas dilatan y se mueven hacia arriba al tiempo que aumentan su diámetro. Si al mismo consideramos el movimiento vertical hacia abajo de la tubería cuyo recorrido partiera del cabezal de la columna, veríamos que en condiciones normales, éste será parcialmente compensado con el movimiento hacia arriba de la columna. Cuando entra en funcionamiento el sistema, primero se calentará la columna, y permaneciendo aun fría la tubería hará una considerable diferencia de temperatura y por lo tanto de movimientos. Este momento de la puesta en marcha debería haber sido previsto en el diseño del sistema de tuberías, proporcionando la adecuada flexibilidad; por supuesto que además deberá ser añadido el movimiento radial de la columna, que se traducirá en un movimiento también radial de la tubería. Las tuberías deben bajar siempre y cuando sea posible a lo largo de la columna, y cuando tengan que cambiar de dirección, se dejará un tramo vertical a la salida de la boquilla para la colocación del soporte, que normalmente descargará a ésta todo el peso de la tubería, aislamiento y fluido. Colocando el soporte lo más próximo a la boquilla se logra que IV - 1
la diferencia de dilataciones entre la columna y la tubería sea lo más próximo a cero para así evitar los esfuerzos en esta última.
2. EXPANSIÓN VERTICAL DEL FALDON El movimiento axial o vertical de la línea inferior tangente del equipo viene dado por la expansión térmica del faldón, la cual es calculada utilizando una temperatura promedio del faldón (ver el siguiente ejemplo) y su altura.
Ejemplo: Calculo de la temperatura promedio del faldón. Tomar las siguientes condiciones: T = 600°F h = 10’-0” t = 1” k = 1 (faldón totalmente aislado) Paso 1.
Calcular
k x h = 1 x 10 t 1”
Paso 2.
Entrar en la línea inferior de la tabla anexa con el valor de k x h / t = 10. Desplazarse en línea vertical hasta el punto donde se intercepte con la curva. Moverse en línea vertical hasta encontrar el factor de corrección de la temperatura “F”, en este ejemplo es igual a 0.22.
Paso 3.
DT
Paso 4.
D T1
Paso 5.
T1 =
= t – 70°F = 530°F = Fx
DT
DT1 +
= 0.22 x 530 = 116.6°F Usar 117°F
70°F 117°F + 70°F = 187°F
IV - 2
CURVA PARA DETERMINAR LA TEMPERATURA PROMEDIO DEL FALDÓN
IV - 3
3. UBICACIÓN DE SOPORTES EN LAS COLUMNAS
4. SEPARACIÓN ENTRE LA COLUMNA Y LAS TUBERÍAS VERTICALES
Líneas Aisladas y no Aisladas Dia. < 2”
Espesor del aislamiento
Líneas Aisladas Dia. 2” a 24”
Líneas no Aisladas Dia. 2” a 24” NOTAS: 1. Distancia mínima a tomar en cuenta. 2. Para los espesores de aislamiento superiores a 80mm, se debe aumentar en 100mm la distancia mínima. IV - 4
5. SEPARACIÓN ENTRE SOPORTES
LOCALIZACION DE SOPORTES Y GU AS EN EQUIPOS VERTICALES
IV - 5
SECCION V
SOPORTERIA DE BOMBAS 1. LINEAS CALCULADAS Los diferentes tipos de soportes a prever para estas líneas están claramente definidas en la Nota de Cálculo (N. C.). Todas las modificaciones ligadas al ruteo o al nivel de la línea, deben estar claramente indicadas en la N. C. La ubicación de vigas adicionales para la facilidad de soporte deberá ser verificada en ésta fase. Si ciertas vigas hacen falta se deberán pedir de inmediato al departamento civil e indicar las cargas que éstas deberán soportar.
El montaje de éstas líneas se deberá ver directamente con el analista de flexibilidad, y será en función de las cargas admisibles de las bombas.
2. LINEAS NO CALCULADAS Los diferentes tipos de soportes que se prevén para estos casos son definidos en los diferentes ejemplos que se presentan a continuación. La ubicación de vigas adicionales, para la soportería de éstas líneas, se deberá hacer durante la fase de trabajo, igualmente las cargas deberán estar indicadas. Las estructuras civiles requeridas, para el soporte de las líneas asociadas a las bombas, deberán ser definidas lo antes posible y transmitidas al departamento civil con sus cargas asociadas.
V-1
2.1 Boquillas Horizontales: Deberá ser previsto un soporte ajustable (1) en el cambio de dirección vertical para evitar momentos en las boquillas y ajustar las bridas de la bomba y la tubería, en el momento del montaje, o en caso de desalineación. Se le deberá asociar una guía axial. La longitud en horizontal deberá ser la suficiente para evitar sobrecargas en la unión con la bomba, por lo tanto el montaje directo brida + codo no es recomendado, excepto para líneas calculadas que lleven soportes tipo resorte.
2.2 Boquillas Verticales: Para líneas de bombas no calculadas (diámetro 2” o 3”, con agua o a temperatura ambiente), pueden soportarse con soportes tipo colgantes (2), para así poder ajustar la brida en el momento del montaje. Este colgante deberá estar en la dirección axial o lo más cerca posible del codo, de acuerdo al diseño de la estructura civil. Generalmente, en el eje axial de la tubería, se colocará un anclaje direccional (3) con un gap máximo de 2 mm.
V-2
3. EJEMPLOS DE MONTAJE Los ejemplos que se muestran a continuación nos dan una idea de principios a seguir en el momento del montaje. Las elevaciones y distancias indicadas son indicativas. Los niveles de vigas para los resortes serán en función de los niveles del pipe-rack.
ESTRUCTURA PARA SOPORTE DE LINEAS DE BOMBAS (TIPICA) V-3
VIGA PRINCIPAL
RESORTE
SOPORTE AJUSTABLE
La estructura adicional se debe pedir al Dep. Civil lo antes posible.
1 Soporte tipo Guía en el medio de los dos ramales. 2 Soporte tipo Guía + Stop a fin de bloquear los desplazamientos en X y Z. 3 Soporte tipo resorte o soporte ajustable, a fin de minimizar los momentos en la bomba.
V-4
VIGA PRINCIPAL
RESORTE
La estructura adicional se debe pedir al Dep. Civil lo antes posible.
1 Soporte tipo Guía en el medio de los dos ramales. 2 Soporte tipo Guía a fin de bloquear los desplazamientos en X. 3
Soporte tipo resorte o soporte ajustable, a fin de soportar el peso de la tubería, para aliviar a la bomba.
4 Doble tirante a fin de bloquear los desplazamientos en Z.
V-5
SECCION VI
ANALISIS DE FLEXIBILIDAD DE TUBERÍAS 1.
INTRODUCCIÓN
Cuando sobre una tubería se encuentran aplicados diferentes agentes, internos y externos, tales como los cambios de temperatura, fuerzas puntuales, fuerzas ocasionadas por viento, sismo, etc., ésta comienza a experimentar cambios: se mueve, se deforma; y si para evitar estos movimientos y deformaciones se colocan restricciones, se crearan esfuerzos que se transmiten a través de las tuberías en forma de fuerzas y momentos, que pueden afectar gravemente a los equipos que estén asociados a ellas. La flexibilidad es la capacidad de los sistemas de tuberías de expandirse o contraerse, sin que se generen efectos dañinos a soportes, estructuras, equipos o al propio sistema de tuberías. La realización de un análisis de flexibilidad tiene como objetivo primordial la verificación de los esfuerzos en las tuberías, las fuerzas y momentos resultantes en las boquillas de equipos, soportes y uniones bridadas, para asegurar su cumplimiento, con respecto a los parámetros indicados en la norma respectiva o los valores indicados por los fabricantes de los equipos, y de esta manera asegurar la operación normal de los sistemas de tuberías bajo las condiciones de cargas tanto internas como externas a las que se encuentren sometidas. El análisis de flexibilidad provee las técnicas de ingeniería necesarias para realizar un diseño de tuberías sin sobrecargas ni sobreesfuerzos en los componentes de las tuberías, ni en las conexiones con los equipos.
2.
OBJETIVOS DEL ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD
El Análisis de Flexibilidad se realiza para: − − − −
3.
Evitar esfuerzos excesivos en las tuberías, en los equipos y en los soportes. Evitar fugas en juntas bridadas. Evitar distorsiones o deformaciones en boquillas de equipos, tuberías, etc. Evitar resonancia en los sistemas de tuberías como resultado de excitaciones conocidas.
NORMAS APLICABLES
Las normas más utilizadas en el análisis de sistemas de tuberías son las normas del American National Standard Institute y la American Society of Mechanical Engineers ANSI/ASME, y las American Standard Association ASA. Cada uno de estos códigos recoge la experiencia de numerosas empresas especializadas, investigadores, ingenieros de proyecto e ingenieros de campo en áreas de aplicación especificas. Los códigos o normas a aplicar VI - 1
dependen del diseño de planta específico que estemos realizando, pero siempre llegan a solaparse para cubrir todas las necesidades de éste. El alcance que cubre cada una de las normas mostradas a continuación, lo podemos observar en el anexo, y fueron extraídos de la norma. - ASME B31.1 - ASME B31.2
Power Piping. Fuel Gas Piping (Reemplazada en 1988 por AGA Z-223.1, National Fuel Gas Code). - ASME B31.3 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping. - ASME B31.4 Liquid Transportation Systems for Hydrocarbons, Petroleum Gas, Anhydrous Ammonia and Alcohols. - ASME B31.5 Refrigeration Piping. - ASME B31.8 Gas Transmission and Distribution Piping Systems. - ASME B31.9 Building Services Piping. - ASME B31.11 Slurry Transportation Piping Systems. En lo relativo al diseño, todas estas normas son muy parecidas, existiendo algunas discrepancias en relación a las condiciones de diseño, al cálculo de los esfuerzos y a los factores de seguridad que se establecen para definir la tabla de esfuerzos básicos admisibles. Restringiéndonos al aspecto del diseño de sistemas de tuberías, estas normas establecen básicamente criterios en relación a lo siguiente: a) Tipos de cargas a considerar. b) Calculo de los esfuerzos generados por los distintos tipos de cargas. c) Evaluación de esfuerzos admisibles.
4.
CARGAS APLICADAS A LOS SISTEMAS DE TUBERÍAS
Las cargas que pueden afectar los sistemas de tuberías pueden clasificarse como primarias y secundarias. Las cargas primarias son las que se producen debido a cargas sostenidas y no son autolimitantes, tales como el peso muerto de la tubería y de los accesorios. Las cargas del tipo secundarías son autolimitantes, como por ejemplo las cargas debido a expansión térmica. Cada códigos de tuberías definen los criterios de calificación de las tuberías de manera diferente. Las cargas que afectan normalmente a los sistemas de tuberías, son las siguientes: -
Cargas Sostenidas: Cargas muertas (peso de la tubería, del aislamiento, cargas puntuales aplicadas, etc.), Cargas vivas (Peso del fluido, presión interna o externa, vibraciones, etc.). Estas cargas pueden causar colapso violento de los sistemas de tuberías. Cargas por Expansión Térmica: Son las fuerzas y momentos que resultan en el sistema de tuberías debido a las restricciones a la libre expansión térmica. Estas cargas son cíclicas, autolimitantes, y desaparecen cuando se remueven las restricciones. VI - 2
-
Cargas Ocasionales: Son las cargas que pueden ocurrir eventualmente como consecuencia del viento, terremotos, golpes de ariete, descarga de válvulas de alivio, etc. Los análisis tomando en cuenta viento y terremotos sólo se realizan bajo requerimiento expreso del cliente, o en casos de tuberías de condiciones especiales por su configuración o criticidad.
5.
ANÁLISIS DE ESFUERZOS
Existen 3 tipos de esfuerzos según el ANSI/ASME que deben ser verificados para asegurarse que las tuberías no van a fallar por exceso de esfuerzos. Estos esfuerzos son: a) Esfuerzos Sostenidos o Primarios. b) Esfuerzos de Expansión o Secundarios. c) Esfuerzos Ocasionales. A continuación se definen dichos esfuerzos y sus características.
5.1.
Esfuerzos Sostenidos o Primarios:
Son aquellos que se originan de la suma de esfuerzos longitudinales producidos por el peso propio de la tubería, el aislamiento, el fluido, efectos de presión y las fuerzas y momentos aplicados sobre las tuberías. Las principales características de los esfuerzos primarios son las siguientes:
-
Los esfuerzos primarios no son auto-limitantes, es decir, una vez que comienza la deformación plástica, continua avanzando hasta que se logre un equilibrio de las fuerzas o hasta que ocurra una falla del material. Los esfuerzos primarios excesivamente elevados pueden producir una deformación plástica y la ruptura del material. Un esfuerzo primario que exceda el punto o el esfuerzo de cadencia resultará en una falla, o sea distorsión o rotura. Normalmente no son de naturaleza cíclica. Las cargas más frecuentes para los esfuerzos primarios o sostenidos son la presión y el peso. Los límites admisibles para los esfuerzos sostenidos son usualmente referidos al esfuerzo básico admisible o al esfuerzo último del material, y dependen de la temperatura de operación. Las fallas pueden ocurrir solamente con la simple aplicación de la carga.. Cuando ocurre esto se debe generalmente a un mal diseño de la línea (por presión) y no por incumplimientos que imponen las normas y códigos para los esfuerzos de flexibilidad. Este esfuerzo sin embargo puede ser controlado fácilmente soportando adecuadamente el sistema de tuberías.
VI - 3
Los esfuerzos admisibles en sostenido según el código ASME B31.3 son iguales al 67% de los esfuerzos de fluencia en caliente para cada material (ver apéndice A-1 del código)
S(sus) ≤ SA = S h donde: SA... Esfuerzo admisible. Sh... Esfuerzo en caliente.
5.2.
Esfuerzos de Expansión o Secundarios:
Las cargas térmicas consisten en fuerzas y momentos en los sistemas de tuberías, generados por la resistencia a las libres contracciones o expansiones térmicas, debido a la existencia de restricciones tales como stops y anclajes. Estas cargas son las generan los esfuerzos de expansión o secundarios. Los esfuerzos secundarios son los que se encuentran presentes durante los arranques o paradas de planta, y tienden a disminuir con el tiempo debido a la termofluencia o relajación del material. Las características de los esfuerzos secundarios son las siguientes: − Son esfuerzos cíclicos, debido a que son producidos por contracciones o dilataciones térmicas. − Pueden producir fallas en el material debido a la fatiga de éste, usualmente después de un número elevado de aplicaciones de la carga (el hecho que un sistema haya funcionado por muchos años no indica que haya sido bien diseñado a la fatiga). − Casi siempre son auto-limitantes, así que la simple aplicación de la fuerza no produce falla. − Como son esfuerzos cíclicos, producen grietas en superficies con porosidades o defectos, en superficies corroídas y en los lugares donde hay soldaduras irregulares, ya que son los puntos donde se intensifican los esfuerzos de manera que disminuyen los ciclos para la fatiga. Los materiales frágiles son mas susceptibles a la aplicación de este tipo de esfuerzo. Los esfuerzos por expansión térmica son producidos por los desplazamientos térmicos del material. Los esfuerzos admisibles en expansión según el código ANSI/ASME B31.3 se calculan de la siguiente manera:
S(exp)
≤
SA = f ( 1,25 Sc + 0,25 Sh )
donde:
SA... Sh... SC... ... f
Esfuerzo admisible Esfuerzo en caliente Esfuerzo en frío Factor por fatiga (ver tabla 302.3.5 - ANSI/ASME B31.3)
5.3.
Esfuerzos ocasionales: VI - 4
Son aquellos que se presentan por agentes cuya ocurrencia es esporádica o no frecuente. Son producidos por cargas excepcionales como: cargas de viento, vibraciones en equipos, movimientos telúricos, descarga de válvulas de alivio, golpe de ariete y todas aquellas cargas externas que no sean constantes. La norma permite que estos esfuerzos sean iguales a los esfuerzos de fluencia del material, por lo tanto:
S(occ) ≤ SA = S Y = 1,33 S h Usualmente los códigos indican que para evaluar los esfuerzos ocasionales, éstos deben ser sumados a los esfuerzos producidos por las cargas sostenidas, y comparan estos esfuerzos totales con el esfuerzo admisible incrementado en un porcentaje que depende del código utilizado.
6.
CÁLCULO DE LOS ESFUERZOS ADMISIBLES BÁSICOS
Los esfuerzos admisibles básicos se definen en términos de las propiedades de resistencia mecánica del material obtenidas en ensayos de tracción para diferentes niveles de temperatura y de un factor de seguridad global. Los esfuerzos admisibles varían de acuerdo al código utilizado. Los códigos ANSI/ASME B31.1 y B31.3 presentan una serie de tablas con valores de esfuerzos a distintas temperaturas. Si se comparan los valores, se encuentra que estos dos códigos son distintos. El ANSI B31.3 presenta unos valores que son un 33% mayores a los del ANSI B31.1. De estas tablas se extraen para cada caso dos valores que son el esfuerzo a la máxima temperatura esperada dentro del sistema durante el ciclo en estudio (Sh), y el esfuerzo a la mínima temperatura durante esos mismos ciclos (Sc). Estos esfuerzos admisibles básicos, así como el Iímite de fluencia y la resistencia a la tracción, están listados en el Apéndice A, Tabla A-1, del código ANSI/ASME B31.3 en función de la temperatura. así, por ejemplo, para el acero API-5L Grado A tenemos que el límite de fluencia es: SY = 30 ksi y la resistencia a la tracción es: SU = 48 ksi El esfuerzo admisible básico en función de la temperatura viene dado por: 16.0 Ksi si -20 °F < T < 500 °F 14.8 Ksi si T = 600 °F S=
VI - 5
14.5 Ksi si T = 650 °F 14.4 Ksi si T = 700 °F 10.7 Ksi si T= 750°F 9.3 Ksi si T = 800 °F, etc. Excepto para tuberías de fundición o para materiales de pernos y tornillos, el esfuerzo admisible básico para una determinada temperatura se establece como el valor que resulte menor entre un tercio de la resistencia a la tracción y dos tercios del límite de fluencia. Esto es: S = Mín { 1/3 Su, 2/3 Sy } Esto significa que, en principio, la tubería será diseñada con factores de seguridad de 3 contra la fractura, o de 1.5 contra la fluencia. Así pues a temperatura ambiente, para el material que hemos tomado como ejemplo, tenemos que: S = Mín { 1/3 (48 Ksi), 2/3 (30 Ksi) } S = Mín { 16 Ksi, 20 Ksi } S = 16 Ksi Los esfuerzos sostenidos o esfuerzos primarios de la tubería deben ser comparados con el esfuerzo en caliente Sh, el cual debe buscase en el código correspondiente. La ecuación que debe cumplirse es la siguiente:
SL ≤ Sh
(a)
Donde: SL … Es la suma de los esfuerzos longitudinales resultantes por efecto de la presión y el peso. Sh … Ese esfuerzo admisible del Material a la temperatura de flexibilidad de la línea. Si (a) se cumple, debe verificarse:
SL + S O ≤ 1.33 S h (b) Donde: SO … Es el esfuerzo ocasional sobre la línea y se tomará el mayor entre el esfuerzo por sismo y el esfuerzo por viento. Si la ecuación (b) no se cumple, deberá revisarse el diseño desde el punto de vista sísmico. Si se cumple, el esfuerzo admisible de la tuberías se calculará con la siguiente ecuación: VI - 6
SA = f [ 1.25 (S C + S h) – SL] (c)
[Cuando S h > SL]
Donde: SA … Es el esfuerzo admisible para los esfuerzos generados por dilatación térmica. SC … Es el esfuerzo del material a la temperatura de referencia. Es el factor de reducción del esfuerzo admisible, que depende del número de ciclos de f … vida esperada de la línea. Por lo general se usa el valor de SL = S h por tanto:
SA= f ( 1.25 S C + 0.25 S h) (d) A continuación se presentan los valores de f , que es el factor de rango de reducción de esfuerzos.
Número de Ciclos
Factor f
7000 y menos 7.000 a 14.000 14.000 a 22.000 22.000 a 45.000 45.000 a 100.000 100.000 a 200.000 200.000 a 700.000 700.000 a 2.000.000
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3
Fuente: Tabla 302.3.5. ANSI/ASME B31.3. Los esfuerzos generados en los sistemas de tuberías se calculan como una relación entre los esfuerzos de flexión y los esfuerzos torsionales. El esfuerzo calculado en cada punto del sistema de tuberías, debe ser menor que el momento admisible establecido por la norma ANSI/ASME que aplique. Los esfuerzos generados son:
SE =
S b2 + 4 S t2
donde: SE... Esfuerzos ocasionados por desplazamientos, no mayor que SA. Sb... Esfuerzos por flexión en y fuera del plano de la conexión. St... Esfuerzos por torsión.
St = Mt / 2 Ζ donde: VI - 7
Mt... Momento de torsión. Modulo de sección. Ζ ... Para el cabezal de tubería:
(iI Mi)2 + (io Mo)2 Sb = Ζ
donde: Factor de intensificación de esfuerzos (SIF) en el plano de la conexión. iI... io... Factor de intensificación de esfuerzos (SIF) fuera del plano de la conexión. Mi... Momento flector en el plano. Mo... Momento flector fuera del plano. Para la conexión ramal:
(iI Mi)2 + (io Mo)2 Sb = Ζ e
donde: Módulo efectivo para la conexión ramal. Ζ e ... Ζ e
=
2
π ( r 2 )
TS
donde: r 2 ... Radio medio de la conexión. TS… Espesor de pared efectivo de la conexión. Los Factores de Intensificación de Esfuerzos para codos y conexiones ramales, podemos encontrarlos en el anexo, los cuales fueron extraídos de la norma ANSI/ASME B31.3.
7.
FALLAS EN SISTEMAS DE TUBERIAS Las fallas más comunes que pueden sufrir los sistemas de tuberías s on las siguientes:
− − − −
Fallas por sobrepasar esfuerzos admisibles. Fatiga en los materiales. Esfuerzos excesivos en los elementos de un soporte. Fugas en juntas o uniones. VI - 8
− −
Mal funcionamiento o deterioro de un equipo por fuerzas y momentos excesivos en las boquillas. Resonancia por cargas dinámicas.
Las causas que comúnmente dan origen a esta tipo de fallas son las siguientes: − − − −
8.
Fallas por errores en el diseño y en el análisis de flexibilidad, o por falta de éste. Falta de comunicación interdisciplinaria (Tuberías, Civil, Equipos y Procesos). Falta de una adecuada supervisión de construcción. Falta de personal en obra con experiencia en flexibilidad.
CRITERIOS DE ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD
El primer paso para la realización de un análisis de flexibilidad es determinar las condiciones a las que está sometido el sistema de tuberías para verificar el tipo de análisis requerido, dependiendo si el sistema a analizar es crítico o no. Usualmente el análisis de flexibilidad deberá realizarse con las condiciones de flexibilidad del proyecto (temperatura y presión), suministradas por el Departamento de Procesos en las Listas de Líneas. En el caso tal que, en un proyecto determinado no se tenga dicha información, el análisis deberá ser realizado con las condiciones de diseño de los sistemas. Cuando estemos en presencia de líneas críticas, en las cuales las configuración no nos permita obtener resultados satisfactorios, se podrá realizar el análisis con las condiciones de operación del sistema, previa aprobación del Líder de Flexibilidad del Proyecto. El Líder de Flexibilidad de un Proyecto es la persona encargada de determinar cuales son las líneas que requieren análisis de flexibilidad manual o computarizado y cuales no, la prioridad de las líneas críticas a analizar, y deberá reflejarlas en la Lista de Líneas del Proyecto. A continuación se presentan criterios que deberán tomarse en cuenta a la hora de hacer un estudio de flexibilidad. Estos criterios podrán ser revisados de acuerdo a los requerimientos del proyecto y/o cliente.
Categoría l: Las líneas que están dentro de esta categoría son sumamente críticas y específicas y deberán ser analizadas con suma atención. Su estudio deberá hacerse con un programa computarizado y al inicio del proyecto para establecer la soportaría y el ruteo definitivo. Las líneas de esta categoría son:
-
Líneas de alta presión , donde la presión excede a lo admitido por el ANSI B 16.5 Class 2500 para temperatura y presión de diseño específicas. VI - 9
-
Líneas de alta temperatura donde la temperatura de diseño del metal excede los 1000°F. Tuberías con diámetros mayores a 48". Líneas diseñadas para más de 22000 ciclos. Líneas cuyo fluido de servicio pertenece a la categoría "M" según ANSI/ASME B31.3. Líneas de la categoría II, que según el analista, deberá hacerse un estudio más cuidadoso. Líneas con Juntas de Expansión. Líneas de transferencia de etileno.
Categoría ll: Las líneas de esta categoría requieren análisis de cargas y esfuerzos por computadora. Las líneas de esta categoría son:
-
Líneas conectadas a bombas y compresores centrífugos y/o reciprocantes, sopladores y a turbinas, los cuales en condiciones normales de operación cumplan con: Diámetro mayor o igual a 3” con temperatura ≥ a 120°C o ≤ a 6°C. Líneas conectadas a bombas no-reciprocantes, con condiciones de operación: Diámetro mayor o igual a 4” con temperatura ≥ a 149°C, y Diámetro mayor o igual a 12” con temperatura ≥ a 120°C. Líneas conectadas a enfriadores por aire (Air Cooler). Líneas conectadas a recipientes, según ASME Sección VIII División 2. Líneas conectadas a hornos o calentadores de llama directa. Líneas conectadas a equipos de aluminio. Líneas conectadas a cajas frías. Líneas sometidas a vibraciones o a cargas ocasionales significativas que requieran de análisis dinámico. Sistemas sujetos a presión externa. Líneas de procesos enterradas. Líneas de transferencia, de vapor de alta o de sistemas de alivio de alta presión.
Categoría Ill: Las líneas de esta categoría requieren ser analizadas, sin embargo su análisis puede hacerse con algún método manual. Se incluyen en esta categoría:
-
Todas las líneas asociadas a equipos delicados, y que por sus condiciones de diámetro y temperatura no entran en la Categoría 2. Todas las líneas por puentes de tuberías (pipe racks) o trincheras. Líneas que el analista considere estudiar.
Categoría IV: Las líneas de esta categoría requieren solamente un análisis o inspección visual o un análisis a través de métodos manuales o gráficos. En esta se encuentran:
VI - 10
