Manual Flexibilidad y Soporteria INE

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DEPARTAMENTO DE DISEÑO MECANICO

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA FECHA DATE

27-05-98

OBJETO OBJECT

Revisión Capítulos 4 y 5/Revisión General

ELABORO Iniciales

REVISO Iniciales

APROBO Iniciales/Cargo

GPB

MO

GD

DOCUMENTO NO MODIFICADO (SOLO CAMBIO DE FORMATO)

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IN-0038MSW/13/Sep.99.R4C

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA

Indice Página 1. 2. 2.1. 2.2. 2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.3. 3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 4. 4.1. 4.1.1. 4.2. 4.2.1. 4.3. 4.3.1. 4.3.2. 4.4. 4.4.1. 4.4.2. 4.4.3. 4.4.4. 4.4.5. 4.4.6. 4.4.7. 4.5. 5. 5.1. 5.1.1. 5.1.2.

INTRODUCCION.......................................................................................................... 5 ANALISIS DE ESFUERZOS ........................................................................................ 6 Generales ........................................................................................................................ 6 Cálculo de los Esfuerzos................................................................................................. 8 Esfuerzos longitudinales ................................................................................................. 8 Esfuerzos Térmicos ........................................................................................................ 9 Cargas Ocasionales ....................................................................................................... 13 Factor de Intensificación de Esfuerzos (SIF, Stress Intensification Factor) ................ 13 TIPOS DE ANALISIS (CATEGORIAS DE TUBERIAS).......................................... 16 Categoría I .................................................................................................................... 16 Categoría II ................................................................................................................... 17 Categoría III.................................................................................................................. 18 Categoría IV.................................................................................................................. 18 ANALISIS DE TUBERIAS ......................................................................................... 20 Introducción.................................................................................................................. 20 Análisis Básico ............................................................................................................. 20 Localización Inicial de Soportes................................................................................... 21 Separación de Soportes................................................................................................. 22 Análisis Estático ........................................................................................................... 52 Cargas Sostenidas. (Esfuerzos Longitudinales)............................................................ 53 Cargas Debidas a la Expansión Térmica. (Esfuerzos Térmicos o Secundarios) .......... 53 Análisis Dinámico (Cargas Ocasionales) ..................................................................... 87 Introducción a las Cargas Ocasionales ......................................................................... 87 Introducción al Análisis Dinámico. .............................................................................. 88 Vibraciones ................................................................................................................... 89 Cargas Debidas al Viento ............................................................................................. 92 Sismos........................................................................................................................... 95 Válvulas de Alivio ........................................................................................................ 96 GOLPE DE ARIETE.................................................................................................... 99 Combinación de cargas............................................................................................... 102 ANALISIS DE EQUIPOS.......................................................................................... 104 Evaluación de las Cargas en Conexiones de Tuberías a Equipos............................... 104 Bombas Centrífrugas .................................................................................................. 104 Compresores Centrífugos ........................................................................................... 105

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 5.1.3. 5.1.4. 5.1.5. 5.1.6. 5.1.7. 5.1.8. 5.2. 5.2.1. 5.3. 5.3.1. 5.3.2. 5.3.3. 6. 6.1. 6.2. 6.2.1. 6.2.2. 6.2.3. 6.2.4. 6.3. 6.4. 6.4.1. 6.4.2. 6.5. 6.6. 7. 7.1. 7.2. 8. 8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.4.1. 8.4.2. 8.4.3. 9. 9.1.

Turbinas de Vapor ...................................................................................................... 106 Equipos Reciprocantes................................................................................................ 106 Calentadores de Fuego Directo. (Fired Heaters) ........................................................ 106 Enfriadores por Aire ................................................................................................... 107 Tanques Cilíndricos Verticales de Fondo Plano......................................................... 108 Recipientes a presión y otros equipos......................................................................... 109 Movimientos de las Boquillas Debido a la Temperatura de los Equipos ................... 109 Movimientos de las Boquillas en Recipientes Verticales........................................... 109 Arreglos de Tuberías y Soportes Alrededor de los Recipientes y Equipos ................ 116 Equipos Rotativos Centrífugos ................................................................................... 116 Equipos Rotativos Reciprocantes ............................................................................... 117 Recipientes Horizontales y Verticales ........................................................................ 119 SELECCION Y DISEÑO DE SOPORTES ............................................................... 121 Consideraciones Generales ......................................................................................... 121 Soportes Estructurales ................................................................................................ 121 Diseño de Soportes Soldados a la Tubería ................................................................. 122 Diseño de Trunnions Verticales.................................................................................. 130 Diseño de Trunnions Horizontales ............................................................................. 139 Diseño de Trunnions en Líneas de Alta Temperatura ................................................ 140 Soportes Colgantes ..................................................................................................... 145 Soportes Tipo Resorte................................................................................................. 148 Resortes de Carga Variable ........................................................................................ 148 Resortes de Carga Constante ...................................................................................... 154 Amortiguadores .......................................................................................................... 156 Soportes Anti-vibratorios............................................................................................ 156 NORMAS Y DOCUMENTOS DE REFERENCIA................................................... 157 Normas y Procedimientos de INELECTRA............................................................... 157 Otras Normas Aplicables ............................................................................................ 157 DATOS, DOCUMENTACION Y PROCEDIMIENTOS DE TRABAJO................. 161 Datos Necesarios Para el Análisis .............................................................................. 161 Isométricos de Flexibilidad......................................................................................... 162 Recomendaciones Finales........................................................................................... 163 Procedimientos de Trabajo ......................................................................................... 165 Procedimiento de Análisis de Flexibilidad ................................................................. 165 Etapa de Soportería..................................................................................................... 168 Cómputo de Materiales para Soportes ........................................................................ 170 PROGRAMAS DE LA SECCCION DE FLEXIBILIDAD....................................... 171 Uso del S.C.S.............................................................................................................. 171

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 9.1.1. 9.1.2. 9.2. 9.3.

Ubicación del SCS en la Red Para un Proyecto ......................................................... 171 Requerimientos de Funcionamiento Para la Interfase AutoCAD-SCS ...................... 171 Programa Basado en la Norma API 650..................................................................... 172 Módulos de Cálculos de Tuberías............................................................................... 172 ANEXOS .................................................................................................................... 173 ANEXO A: DATOS DE LAS TUBERIAS................................................................ 174 ANEXO B: COEFICIENTES DE EXPOSICION Kz Y DE RAFAGA Gh. ............. 175 ANEXO C: FORMULAS Y DIAGRAMAS DE VIGA ............................................ 176 ANEXO D: INFORMACION SOBRE SOPORTES ESPECIALES ........................ 177 ANEXO E: COMPENDIO DE NORMAS PARA LA EVALUACION DE LAS CARGAS .................................................................................................................... 178 ANEXO F:. LISTA DE VERIFICACION Y FORMATOS DE FLEXIBILIDAD ... 179 ANEXO G: INSTRUCTIVOS DE PROGRAMAS ................................................... 180

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1.

INTRODUCCION El presente manual de flexibilidad y soportería de tuberías tiene los siguientes objetivos fundamentales: 1.

Uniformizar los criterios y procedimientos que se usarán en materia de flexibilidad en los distintos proyectos de Inelectra.

2.

Reunir la información más importante necesaria para realizar estudios de flexibilidad en sistemas de tuberías.

Este es un documento práctico que contiene normas, criterios, tablas, ilustraciones y procedimientos a seguir, es por esto que la información puede estar sujeta a actualizaciones y/o revisiones para lograr mejoras. Es importante destacar que cualquier comentario o información adicional deben ir remitidos al Gerente del Departamento de Diseño Mecánico para su estudio e incorporación. A menos que se establezca lo contrario en los proyectos, se deberán seguir los lineamientos señalados en este manual para llevar acabo el análisis de flexibilidad y soportería de tuberías por parte de Inelectra.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 2.

ANALISIS DE ESFUERZOS

2.1.

Generales El análisis de flexibilidad se debe realizar para asegurar el cumplimiento de los códigos, normas y prácticas de ingeniería. Específicamente esto incluye la verificación de los esfuerzos en las tuberías, las fuerzas y los momentos resultantes en boquillas de equipos, soportes y uniones bridadas. De acuerdo a las normas ANSI existen cuatro tipos de esfuerzos que deben ser verificados para asegurar que no ocurran fallas en las tuberías debido a esfuerzos excesivos. El primero es el esfuerzo circunferencial debido a la presión, la verificación de este esfuerzo debe ser llevada a cabo por el grupo que elabora las especificaciones de tuberías. Esto se debe a que este esfuerzo es el que determina el espesor requerido de tubería. Los primeros a verificar por el grupo de flexibilidad son los esfuerzos sostenidos o esfuerzos primarios, luego son los esfuerzos por expansiones y movimientos térmicos o esfuerzos secundarios y por último los esfuerzos ocasionales. Los esfuerzos primarios corresponden a la suma de los esfuerzos longitudinales producidos por los siguientes factores: •= Peso. Esto incluye el peso de la tubería, peso del fluido y peso del aislamiento de la tubería. •= Presión. •= Fuerzas y momentos aplicados sobre la tubería. •= Las principales características de los esfuerzos primarios son las siguientes: •= Los esfuerzos primarios excesivamente elevados pueden producir una deformación plástica y la ruptura del material. •= Los esfuerzos primarios no son auto-limitantes, es decir, una vez que comienza la deformación plástica esta continúa avanzando hasta que se logre un equilibrio de las fuerzas o hasta que ocurra una falla del material. •= Normalmente no son de naturaleza cíclica. •= Las cargas más frecuentes para los esfuerzos primarios o sostenidos son la presión y el peso.

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•= Los límites admisibles para los esfuerzos sostenidos son usualmente referidos al esfuerzo de fluencia (o sea el punto donde comienzan las deformaciones plásticas) o al esfuerzo último del material y dependen de la temperatura de operación. Los esfuerzos de expansión o secundarios reciben ese nombre debido a que sólo se encuentran presentes durante los arranques y paradas de planta y tienden a disminuir con el tiempo debido a la relajación térmica del material. Las características de los esfuerzos secundarios son las siguientes: •= Los esfuerzos secundarios son cíclicos, ya que son debidos a las expansiones (o contracciones) térmicas. •= Los esfuerzos secundarios pueden producir fallas en el material, usualmente después de un número elevado de aplicaciones de la carga (El hecho de que un sistema haya estado funcionando por años no indica que haya sido bien diseñado a fatiga). •= Casi siempre son auto-limitantes, así que la simple aplicación de la carga no produce fallas. •= Producen la creación de pequeñas grietas en las superficies interiores o exteriores de las tuberías que presentan imperfecciones o defectos. •= Los materiales frágiles son mucho más susceptibles. •= Las superficies corroídas sirven como intensificadores de los esfuerzos y como puntos de iniciación de grietas. La corrosión junto a los ciclos de esfuerzos secundarios producen un deterioro mayor en las tuberías. •= Las soldaduras irregulares o con porosidades también son puntos de intensificación de los esfuerzos secundarios, con lo que se reducen los ciclos para la fatiga. Los esfuerzos ocasionales son aquellos producidos por causas excepcionales como son: •= •= •= •= •=

Movimientos sísmicos. Golpe de ariete. Viento. Vibraciones. Descarga de válvulas de alivio.

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Usualmente los códigos indican que para evaluar los esfuerzos ocasionales, estos 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. 2.2.

Cálculo de los Esfuerzos Los esfuerzos admisibles son los esfuerzos máximos permitidos por las normas o códigos, para asegurar la integridad del sistema de tuberías. Los valores del los esfuerzos admisibles varían de acuerdo al caso de estudio y código utilizado. Por ejemplo, los códigos ANSI B31.1 y ANSI B31.3 presentan una serie de tablas con los valores de los esfuerzos admisibles a distintas temperaturas. Los valores de los esfuerzos en estos dos códigos son diferentes. El código ANSI B31.3 presenta usualmente valores que son un 33% mayores que los del ANSI B31.1. De estas tablas se extraen para cada caso dos valores que son el esfuerzo permisible a la máxima temperatura esperada durante el ciclo en estudio (Sh), y el esfuerzo permisible a la mínima temperatura durante el ciclo (Sc). Las consideraciones a ser tomadas para los esfuerzos longitudinales, térmicos y ocasionales (para la mayoría de los códigos ANSI/ASME B31) se muestran a continuación.

2.2.1.

Esfuerzos longitudinales Los esfuerzos sostenidos o esfuerzos primarios de la tubería deben ser comparados con el esfuerzo en caliente Sh, este esfuerzo Sh debe buscarse en el código correspondiente. (Algunos códigos pueden usar el Sy en vez de Sh, Sy = Esfuerzo máximo fluencia). La ecuación que se debe cumplir para los esfuerzos longitudinales tiene la forma siguiente:

SL = A

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i MA P DO + B ≤ C Sh 4t Z

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Ecuación: (2.2.1.A)

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Donde: SL = A, B, C = P= DO = t= i= MA = Z= Sh =

La suma de todos los esfuerzos longitudinales debido a la presión, el peso y otras cargas sostenidas, psi. Factores numéricos que dependen del código a usar, adimensionales. Presión interna de diseño, psi. Diámetro externo de la tubería, pulg. Espesor de la tubería, pulg. (Dependiendo del código, se debe usar el espesor nominal o el nominal menos la corrosión, erosión y tolerancia de fabricación). Factor de intensificación de esfuerzos en el punto donde se evalúa el momento, adimensional. Momento resultante de las cargas sostenidas, generalmente el que se toma en cuenta es el momento flexor, lb-pulg. Módulo de sección de la tubería, pulg3. Esfuerzo máximo admisible a la temp. de diseño, psi.

El primer sumando del cálculo de SL es el esfuerzo longitudinal por el efecto de la presión. Por ejemplo, para el código más usado el B31.3, los valores de A, B, C son todos iguales a uno. Para el código B31.1 los valores de A, B y C son 1, 0.75 y 1 respectivamente. Estos factores no aparecen explícitamente en los códigos, se incluyen aquí para mostrar la forma básica que tiene la ecuación. 2.2.2.

Esfuerzos Térmicos El código ANSI/ASME B31 establece que el esfuerzo térmico o secundario (SE) debe ser menor que el esfuerzo admisible (SA): (2.2.2.A)

SE ≤ S A

En donde: SE = Esfuerzo generado por la expansión térmica. SA = Rango del esfuerzo admisible para los esfuerzos generados por dilatación térmica (esfuerzo térmico admisible). A continuación, se mostrará en detalle el criterio para el código B31.3.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 2.2.2.1 Esfuerzos térmicos en el Código ANSI/ASME B31.3. La Ecuación 2.2.2.A es el criterio fundamental. Para este código los esfuerzos se definen de la siguiente manera:

SE =

(2.2.2.1.A)

S b2 + 4 S 2t

Donde: Sb = Esfuerzo resultante debido a la flexión, psi. St = Esfuerzo resultante debido a la torsión, psi. La ecuación para el cálculo de Sb en codos, codos mitrados y tee rectas (Legs 1 y 2. Figura 2.3-1) es: 2

Sb =

2

(i i M i ) + (i O M O ) Z

(2.22.1.B)

Donde: ii = Factor de intensificación de esfuerzo "en el plano" obtenido de la Tabla D-1, Apéndice D, de la norma B31.3. (Ver ANEXO A de este manual y la siguiente Sección 2.3.) Mi = Momento Flexor "en el plano", lb-pulg. iO = Factor de intensificación de esfuerzos "afuera del plano". MO = Momento Flexor "afuera del plano", lb-pulg. St =

Mt = Esfuerzo debido a torsión, psi. 2Z

Mt = Momento torsor, lb-pulg. Z = Módulo de sección de la tubería, pulg3. Para los ramales de conexiones reductoras, (Leg 3 de la Figura 2.3-1) , el cálculo de Sb se rige por la siguiente ecuación:

2

Sb =

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(i i M i ) + (i O M O ) Ze

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(2.2.2.1.C)


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Donde:

Sb = Esfuerzo resultante debido a flexión en el ramal, psi. Ze = Módulo de sección efectivo para el ramal, pulg3. = π r 22 T S . r2 = Radio medio de la sección transversal del ramal, pulg. TS = Espesor efectivo del ramal, menor entre T h y (ii )( T b ) , pulg.

T h = Espesor de tubería del cabezal. T b = Espesor de tubería del ramal. El esfuerzo SA se calcula de la siguiente manera: S A = f (1.25 S c + 0.25 S h )

Cuando Sh es mayor que SL, el cálculo de SA toma la siguiente forma: (2.2.2.1.E)

S A = f [1.25 ( S c + S h ) - S L ]

Donde: Sh = Esfuerzo máximo admisible a la temp. de flexibilidad, psi. Sc = Esfuerzo máximo admisible a la temp. mínima del material, psi. f = Factor de reducción de esfuerzos (por efectos cíclicos). Ver Tabla 2.2.2.1-1 en el ANEXO A. La interpretación de la Ecuación 2.2.2.1.E es que la parte no usada del esfuerzo admisible para el caso de la cargas sustentadas, puede ser sumada el cálculo del rango de los esfuerzos admisibles para el caso de las cargas térmicas. Ejemplo 2.2.2.1-1: Una línea de suministro de vapor a la chaqueta de un recipiente entra en operación cada 4 horas. En cada uno de estos ciclos la línea alcanza una temperatura de 93 /C. Si la línea será operada en estas condiciones durante 20 años, Cuál es el esfuerzo térmico admisible, sabiendo que la línea está fabricada de tubería sin costura de acero ASTM A335, 5Cr-2Mo?. La línea se encuentra en El Tablazo, en donde la temperatura ambiente mínima no será menor de 21EC. Aplicar la norma B31.3. Según la Tabla A-1, ANEXO A:

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Sc (a 21EC) = 14.06 kg/mm2 (1 kg/mm2 = 1422.33 psi.) Sh (a 93EC) = 12.73 kg/mm2 N ° de ciclos =

24 x 365 x 20 = 43800 ciclos 4

De la Tabla 2.2.2.1-1, ANEXO A, se obtiene que / = 0.7. Utilizando la Ecuación 2.2.2.1.E:

SA = / [1.25 (Sc + Sh) - SL] Y asumiendo que SL = Sh /4, es decir, que los esfuerzos a los que está sometida la Línea por efecto de la presión y el peso son un 25% del Sh, se obtiene:

SA = / [1.25 (Sc + Sh) - 0.25 Sh] = / (1.25 Sc + 1.00 Sh) = 0.7 (1.25 x 14.06 + 1.00 x 12.73) = 21.21 kg/mm2

SA = 21.21 kg/mm2 Para el mismo caso anterior, suponiendo que el esfuerzo al que está sometida la tubería por efecto de su propio peso y la presión del vapor es del 40% del Sh.

SA

=

0.7 [1.25 (14.06 + 12.73) - 0.4 x 12.73]

SA

=

19.87 kg/mm2

Asumiendo SL = Sh nos queda la Ecuación 2.2.2.1.D:

SA = f ( 1.25 Sc + 0.25 Sh ) SA = 0.7 ( 1.25 x 14.06 + 0.25 x 12.73 ) = 14.53 kg/mm2 SA = 14.53 kg/mm2 Si se usa un espaciamiento adecuado entre soportes (Ver Sección 4.2.1), los cálculos manuales se restringen a la verificación de los esfuerzos secundarios debidos a la expansión térmica. Solo se considerará el análisis de las cargas sostenidas si la condición de diseño SE # SA no se satisface. Con lo anterior, se busca agilizar la verificación de los esfuerzos aplicados y evitar el largo y tedioso análisis de cargas sostenidas.

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2.2.3.

Cargas Ocasionales En general, al momento flexor de las cargas sustentadas se le suma el momento flexor resultante de las cargas ocasionales estudiadas. Los factores que multiplican los componentes de la ecuación dependen del código utilizado. La ecuación para la evaluación de cargas ocasionales es:

D

P DO i ( MA + MB ) ≤ K Sh + E Z 4t

(2.2.3.A)

Donde: MB = Momento resultante de las cargas ocasionales, lb-pulg. D, E, K = Factores adimensionales que dependen del código utilizado. (En el código B31.3 los valores son 1, 1, 1.33 respectivamente). La mayoría de las normas recomiendan para el valor de MB, usar solamente el momento más desfavorable entre las cargas de vientos y terremotos. Normalmente, para las velocidades del viento en Venezuela, los esfuerzos generados por este fenómeno superan los resultantes por los fenómenos sísmicos, o al menos sus efectos son despreciables, sobre todo si se siguen los distanciamientos recomendados entre guías (Ver Sección 4.2.1.6). 2.3.

Factor de Intensificación de Esfuerzos (SIF, Stress Intensification Factor) El factor de intensificación de esfuerzos para un componente de tubería se define como la razón del esfuerzo para producir falla por fatiga en N-número de ciclos para un componente de referencia y el esfuerzo requerido para producir falla por fatiga en el mismo número de ciclos en el componente en estudio. Este es usado como un factor de seguridad aplicado a componentes de tubería donde puedan ocurrir fallas por esfuerzos locales o por fatiga. Este factor es calculado a través de métodos experimentales. El SIF nunca tiene valores menores que 1. El valor del SIF para un mismo componente de tubería puede variar según el código. El código B31.1 y ASME Section III utilizan un mismo valor del SIF para los tres momentos principales (ver Figura 2.3-1), mientras que B31.3, B31.4, B31.5 y B31.8 tienen diferentes valores de SIF para aplicar a los momentos flexores "en el plano" Mi y a los momentos flexores "afuera del plano" MO , mientras que no aplican ningún SIF a el momento torsor. La definición del momento "afuera del plano" MO aplica a aquellos momentos flexores que tienden a girar el componente de tubería a una posición afuera del plano del cual está instalado. A aquellos momentos flexores que pese a su aplicación tienden a mantener la pieza en su plano de instalación se les denomina como momentos "en el plano" Mi. Ver Figura 2.3-1

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Para codos y cambios de dirección, la presión afecta el valor del SIF. El efecto puede ser significativo en codos de grandes diámetros y pared delgada. Algunos códigos presentan factores de corrección para este efecto. Para el cálculo de SIF según la norma B31.3, ver el Apéndice D en el ANEXO A. El factor de corrección puede ser utilizado en los cálculos manuales cuando el esfuerzo en el codo (o cambio de dirección) esté superando por poco margen al esfuerzo admisible, con el fin de reducir el esfuerzo aplicado por debajo del valor admisible. Si el codo tuviera uno o los dos extremos bridados los valores del SIF deben ser multiplicados por un factor de corrección C1, ver nota (5) del Apéndice D, ANEXO A. El método de cálculo de k, factor de flexibilidad, es semejante al cálculo de los SIF.

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3.

TIPOS DE ANALISIS (CATEGORIAS DE TUBERIAS) El primer paso de un análisis de flexibilidad es determinar las condiciones a las que se somete el sistema de tuberías. Luego se debe elegir el tipo de análisis requerido dependiendo del servicio de la línea (crítica o no crítica) y de su grado de complejidad. Usualmente y a menos que se indique lo contrario, se deberá hacer el análisis con la temperatura y presión de flexibilidad (suministrada por procesos), en caso de no tenerla se hará con las condiciones de diseño; para aquellos casos de líneas críticas en los que la configuración no permita obtener resultados satisfactorios, se podría hacer el análisis con la temperatura y presión de operación previa consulta y aprobación del Lider de Flexibilidad. También se debe tener en cuenta los modos de operación del sistema en cuestión. Es posible que haya equipos que trabajen en conjunto u otros que mientras unos están en operación otros se mantengan fuera de servicio ("spare"). De ser así habrá que analizar varios casos, considerando que una parte tendrá cambios de temparatura y la otra no. A continuación se dará una categorización de las líneas con su correspondiente nivel de análisis. Estas categorías deben ser usadas como una guía. Se debe esperar cambios en el tipo de análisis requerido para una tubería de determinada categoría si el cliente o las especificaciones del proyecto así lo convienen. También, cualquier línea puede ser clasificada en una categoría superior a juicio del ingeniero de flexibilidad o del Jefe de Disciplina. Todos los cálculos manuales y por computadora deben ser clasificados y apropiadamente archivados según las normas del proyecto o siguiendo las observaciones de este manual.

3.1.

Categoría I Las líneas de esta categoría requieren análisis especializado por tratarse de líneas críticas. Las líneas de esta categoría deben ser identificadas en la etapa inicial del proyecto para poder establecer con anticipación la filosofía de análisis y de soportería. Las líneas en esta categoría son: - Las líneas de alta presión donde la presión sea mayor que lo admitido por ANSI B16.5 Class 2500 para la temperatura y presión de diseño específicas. - Líneas de alta temperatura donde la tempertura de diseño del metal exceda los 1000 °F. - Tuberías mayores de 48" de diámetro.

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- Las líneas diseñadas para más de 22000 ciclos. - Líneas para fluidos categoría M. Según ANSI/ASME B31.3. - Líneas de categoría II, las cuales, para juicio del analista, deberán tener un análisis más cuidadoso. - Líneas con juntas de expansión. - Los siguientes sistemas: Líneas de transferencia de etileno. Líneas de LNG. 3.2.

Categoría II Las líneas de esta categoría requieren obligatoriamente análisis por computadora. Estas líneas requieren análisis formal por consideraciones de su tamaño y temperatura o porque están conectadas a equipos sensibles. Las líneas de esta categoría son: -

Líneas conectadas a bombas y compresores reciprocantes, bombas y compresores centrifugos y turbinas, las cuales cumplan con lo siguiente: a- Diámetro mayor o igual a 3" y temperatura mayor o igual a 65 °C ó menor o igual 6 °C. b- Diámetro mayor o igual a 12" y temperatura mayor o igual a 50 °C ó menor o igual a 6 °C.

-

Líneas a enfriadores por aire.

-

Líneas conectadas a recipientes según ASME Section VIII: Division 2.

-

Líneas conectadas a hornos o calentadores de llama directa.

-

Líneas conectadas a equipos de aluminio.

-

Líneas identificadas como Categoría II según Figura 3-1.

-

Líneas conectadas a cajas frías.

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3.3.

-

Líneas sometidas a vibraciones

-

Líneas sometidas a cargas ocasionales significativas y que requieran de un análisis dinámico.

Categoría III Las líneas dentro de esta categoría requieren obligatoriamente ser analizadas; sin embargo, el análisis puede ser hecho por algún método manual. Se incluyen en esta categoría: -

Todas las líneas conectadas a equipos sencibles nombrados en la Categoría II que no hayan sido incluidas en la misma por su tamaño y temperatura.

-

Todas las líneas clasificadas como Power Plant Piping, según el código ANSI/ASME B31.1.

-

Todas las líneas designadas según la Figura 3-1 y que no están contempladas en las categorías I y II.

Nota importante: El cálculo manual no debe ser usado para rechazar el diseño de una línea, puede usarse para reubicar los soportes o para rerutearla. El rechazo o la imposibilidad del diseño debe provenir de un estudio detallado por computadora. 3.4.

Categoría IV Las líneas de esta categoría requieren de inspección visual y son las siguientes: -

Líneas identificadas en la Figura 3-1 y que no estén contempladas en las categorías anteriores.

-

Las líneas que son duplicados o reeemplazos de existentes sin cambios significativos, que hayan trabajado sin problemas en el pasado.

-

Las líneas que pueden ser juzgadas como adecuadas por comparación con sistemas previamente analizados.

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4.

ANALISIS DE TUBERIAS

4.1.

Introducción Esta sección tiene como objetivo principal dar una visión global del análisis de tuberías. Aquí se incluyen secuencialmente todas las etapas y la mayoría de los análisis que se pueden realizar para un sistema de tuberías dado. Todas las soluciones para los diversos tipos de análisis se describen en su forma manual, esto tiene dos objetivos primordiales: 1)

Procurar una vía de solución cuando no se justifique el uso del computador.

2)

Familiarizar al ingeniero con la teoría envuelta en este tipo de análisis, permitiéndole una mejor comprensión del problema, aún cuando no utilice ulteriormente el método manual.

Por esto, se recomienda leer atentamente los ejemplos y seguir el desarrollo del análisis según el Indice de esta sección. Esto servirá de ayuda para comprender el método de análisis, los tipos de problemas y la interpretación de la solución, cuando se resuelvan a través de métodos computarizados. 4.1.1.

Análisis Básico Como se mencionó el la Sección 2, el análisis más usado para un sistema de tuberías se restringe al análisis de cargas térmicas o esfuerzos secundarios. Esto es debido a: 1) Si la tubería está convenientemente soportada (espaciamientos entre soportes recomendados), se puede aseverar que el sistema es seguro a cargas sostenidas; 2) A altas temperaturas los esfuerzos por cargas térmicas serán generalmente mayores que los de cargas sostenidas; 3) Las cargas ocasionales se incluyen en el análisis de casos especiales. En la Sección 3 se dan las directivas de cuando usar métodos manuales, por computadora o por simple inspección según la categoría de tubería. El uso del Caesar II , Simflex o cualquier programa por computador se justifica cuando se tiene un sistema muy complejo, se requieren resultados precisos o porque es más rápido que su equivalente método manual. El ingeniero de flexibilidad, a medida que se familiarice con los métodos manuales, encontrará que mediante su uso para sistemas sencillos podrá conseguir soluciones rápidas y seguras, sin tener que pasar por el proceso de modelarlo, introducir los datos e interpretar los resultados del programa. Esto es especialmente útil cuando se tenga que resolver problemas sencillos en campo.

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4.2.

Localización Inicial de Soportes Para la localización inicial de los soportes, en los distintos sistemas de tuberías, se deben tomar en cuenta las siguientes indicaciones: 1.

Los soportes de tubería deben ser instalados lo más cercano posible a cargas concentradas como válvulas, bridas, etc.

2.

La localización de soportes no debe interferir con los requerimientos de mantenimiento. Desde el punto de vista de esfuerzos en tuberías y por economía, el mejor lugar para colocar un soporte es instalándolo directamente en el equipo; sin embargo esta localización puede ofrecer dificultades, por las restricciones causadas a los componentes del equipo, restricciones en su configuración, los requerimientos del fabricante del equipo o necesidades de espacio para su operación o mantenimiento.

3.

Tanto para el ruteo de las tuberías como para la localización de sus soportes, se debe tomar en cuenta o consultar toda la información disponible y planos generados por las demás disciplinas, para evitar interferencias con los requerimientos de espacio de electricidad, instrumentación y control, equipos mecánicos y de estructuras futuras o existentes.

4.

Cuando exista un cambio de dirección en el plano horizontal, se puede utilizar 3/4 del espaciamiento mostrado en las Tablas 4.2.1-1/2/3, esto es para promover la estabilidad y reducir las cargas excéntricas. Para más información ver Secciones 4.2.1.1 a 4.2.1.5.

5.

Los espaciamientos de las Tablas 4.2.1-1/2/3 no aplican en secciones verticales de tubería porque ningún momento y casi ningún esfuerzo se desarrollará por la gravedad. Las Sección 4.2.1.6 trata los espaciamientos en líneas verticales. La localización de los soportes y su numero dependen del largo de la tubería y la distribución del peso de la tubería en las estructuras de soporte en los distintos niveles de altura. Es recomendable que al menos un soporte que sostenga a la tubería sea colocado en la mitad superior de la sección vertical para tuberías largas, esto es para prevenir el pandeo por las fuerzas de compresión y evitar la inestabilidad resultante que pueda provocar el volcamiento de la tubería por su propio peso. Para las líneas horizontales, las guías deben colocarse en secciones largas de tuberías para evitar grandes deformaciones y los movimientos excesivos de la tubería por efectos como los del viento, ver Sección 4.2.1.7.

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4.2.1.

6.

Los soportes deben ser localizados cerca de estructuras existentes de acero para maximizar la facilidad de diseño y construcción, y minimizar las cantidades suplementarias de acero, necesario para transmitir las cargas a las estructuras metálicas nuevas y al piso. En el ruteo de la tubería se debe considerar este punto.

7.

Sistemas de Tuberías de Vapor que van a ser sometidos a pruebas hidrostáticas deben ser chequeados con el peso del agua para ver si se necesitan más soportes adicionales (temporales o en el peor de los casos, permanentes) de los que se requieren con el peso del vapor.

8.

Casi siempre es preferible reducir el espaciamiento entre soportes donde sea necesario simplificar el Diseño y utilizar las estructuras de soporte disponibles (por ejemplo en un pipe-rack), que tomar plena ventaja del espaciamiento máximo permisible y verse forzado a adicionar nuevas estructuras de soporte a las estructuras civiles y de acero, disponibles o existentes.

9.

La localización de soportes se debe hacer con cuidado, ya que una vez que el análisis de la tubería haya sido completado, ningún soporte podrá ser relocalizado sin causar cambios significativos en los niveles de esfuerzos en la tubería o cambios en las reacciones sobre los equipos adyacentes al soporte cambiado y muy posiblemente se necesitará de un nuevo análisis.

Separación de Soportes En las tablas siguientes se presenta la separación máxima entre soportes (span) para los casos más comunes que se encuentra en los proyectos para diferentes temperaturas de operación. Estos casos son los siguientes: -

Tubería con vapor aislada.

-

Tubería con líquido aislada (gravedad especifica = 1).

-

Tubería vacía.

-

Tubería llena de agua.

Estos valores están tabulados para: líneas con diámetros menores o iguales a 24", acero al carbono (Tablas 4.2.1-1, 4.2.1-2), acero inoxidable (Tabla 4.2.1-3), distintas temperaturas de operación, distintos espesores de corrosión, tanto para líneas dentro de los límites de batería como fuera de límites de batería. Para líneas de diámetro mayor a 24" ver Sección 4.2.1.10. A continuación de las tablas, de la Sección 4.2.1.1 a la Sección 4.2.1.11, se muestran gráficas y tablas prácticas de soportería en campo.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA TABLA .2.1.1. Espaciamiento Entre Soportes Dentro de los Límites de Batería. (CS)

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Notas de la Tabla 4.2.1-1: *

Espaciamientos limitados por esfuerzo todos los demás por deflexión.

+

Las paredes de tubería en el soporte requiere de refuerzos. Ver Sección 4.2.1.8.

UTILIZACION GENERAL: 1. Los espaciamientos deben ser considerados como básicos y representan el valor "L". Para los "Diagramas Típicos de Tuberías" el espaciamiento real de trabajo está en función del valor "L", ver Sección 4.2.1.1. NOTAS GENERALES: Los Sistemas de Tuberías de Vapor que van a ser sometidos a pruebas hidrostáticas deben ser chequeados llenos de agua para verificar la necesidad de soportes adicionales. Estos espaciamientos no aplican en tuberías pulsantes. (Tuberías con cargas cíclicas) CONDICIONES BASICAS: Material. Los espaciamientos pueden ser usados para todos los materiales de tubería con esfuerzo máximo permisible a tensión igual o mayor que aceros al carbono ASTM A53, ASTM A106, API 5L GR. "A". Temperatura (°F). Como se indica. Corrosión Permisible. Como se indica. Los espaciamientos de las tablas deben ser usados para Líneas con espesores de corrosión iguales o menores que las indicadas en las tablas. Deflexión. Basada en 5/8".

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA TABLA 4.2.1.2. Espaciamiento Entre Soportes Fuera de los Límites de Batería. (CS)

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Notas de la Tabla 4.2.1-2: +

Las paredes de tubería en el soporte requiere de refuerzos. Ver Sección 4.2.2.9.

UTILIZACION GENERAL: 1.

Los espaciamientos deben ser considerados como básicos y representan el valor de "L*". Para los "Diagramas Típicos de Tuberías" el espaciamiento real de trabajo está en función del valor "L*", ver Sección 4.2.1.1.

NOTAS GENERALES: Los Sistemas de Tuberías de Vapor que van a ser sometidos a pruebas hidrostáticas deben ser chequeados llenos de agua para verificar la necesidad de soportes adicionales. Estos espaciamientos no aplican en tuberías pulsantes. (Tuberías sometidas a carga cíclica) CONDICIONES BASICAS: Material. Los espaciamientos pueden ser usados para todos los materiales de tubería con esfuerzo máximo permisible a tensión igual o mayor que aceros al carbono ASTM A53, ASTM A106, API 5L GR. "A". Temperatura (°F). Hasta 400 °F. Corrosión Permisible. Como se indica. Los espaciamientos de las tablas deben ser usados para Líneas con espesores de corrosión iguales o menores que las indicadas en las tablas. Deflexión. Basada en su mayoría en 1-1/2". Cuando menos deflexión permisible es indicada, es porque el espaciamiento ha sido limitado por el esfuerzo.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA TABLA 4.2.1.3.

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Espaciamiento Entre Soportes para Tubería de Acero Inoxidable

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 4.2.1.1 Diagramas típicos de Tuberías Notas Generales: 1.

Un sistema de tuberías puede ser usualmente dividido en los diferentes diagramas como son mostrados en las páginas siguientes. Cuando un diagrama completo no aplica, secciones aplicables de diversos diagramas se pueden usar para resolver dicho sistema.

2.

Para la determinación del espaciamiento básico para tuberías dentro del límite de baterías L o afuera del área de baterías L* ver Sección 4.1.2.

3.

El espaciamiento mínimo a carga sostenida MIN. para las figuras mostradas debe ser ajustado según la Tabla 4.2.1.1-1.

4.

Para cargas concentradas ver Sección 4.2.1.2.

5.

Para separación de soportes en tramos de tubería en voladizo ver Sección 4.2.1.3 a la Sección 4.2.1.5.

Tabla 4.2.1.1-1 Para un Espaciamiento Entre Soportes de: 1.22L o 1.10L* L o L* 0.90L o 0.90L*

Espaciamiento "MIN.": Menor o igual a 0.45L Menor o igual a 0.22L Menor a 0.22L

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4.2.1.2 Separación de Soportes en Tuberías Sometidas a Cargas Concentradas

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Ejemplo de la Figura 4.2.1.2-1: Una carga concentrada puede ser una válvula o cualquier componente de la línea más rígido que la tubería, que pueda ser modelado como una carga concentrada. La siguiente información es conocida:

L= W= S= P= D=

El espaciamiento básico de soportes, en pies. Sección 4.2.1. El peso de la línea en libras por pie, incluyendo el aislamiento y el contenido según Tablas 4.2.1-1/2. El espaciamiento actual entre soportes en pies. La carga concentrada en libras. La distancia de la carga concentrada al soporte más cercano en pies.

Como L y W son fijos, solo pueden ser variar S, P y D. Usualmente el mejor procedimiento para resolver el sistema, usando la gráfica, es calculando la carga máxima P que puede ser soportada para una configuración predeterminada y luego compararla con la carga real. Si la carga real es mayor que la carga máxima calculada por la figura, entonces se debe variar el sistema reduciendo S, P o D. Asumir: L = 40' 0" W = 122.82 lb°Ft. S = 20'-0" P = 5000 lb. (Carga real) D = 4'-0" S 20 ′ = = 0.5 40 ′ L

D 4′ = = 0.2 20 ′ S

Entrar en la gráfica a la izquierda donde D/S = 0.2. Moverse horizontalmente a la derecha hasta la curva donde S/L = 0.5, entonces desplazarse verticalmente hacia abajo donde P/(W x S) = 2.5. Por lo tanto: P máximo

= 2.5 x W x S = 2.5 x 122.82 x 20 = 6141 lb.

Como la carga máxima es mayor que la carga real el sistema está bien diseñado y no requiere de cambios.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 4.2.1.3 Separación de Soportes en Tuberías Horizontales en Forma de "L".

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Notas de la Figura 4.2.1.3-1: 1. 2. 3.

La suma de C y D de la Figura 4.2.1.3-1 debe ser al menos 0.9 L. Para la determinación del espaciamiento básico ver Sección 4.2.1. Todas las dimensiones están en pies.

Ejemplo: Entrar en la gráfica con dimensión A o B. Preferiblemente usar las dimensiones relacionadas a soportes cuya localización debe ser fija y permita que el otro punto de soporte varíe de posición. Asumir las siguientes condiciones: Línea de 8". Schedule 40. Corrosión permisible 0.10". La línea está llena de líquido. La línea es aislada. La temperatura de diseño es 300 Kæ. La dimensión A es fija a 15'-0". L de la Tabla 4.2.1-1 es 33'-0". Entre en la gráfica en la línea de fondo donde la dimensión de A es 150-0"; moverse verticalmente hacia arriba hasta la curva de L es igual a 330-0"; entonces moverse horizontalmente a la derecha y buscar la máxima dimensión para B que es 120-6". Esto significa que el largo de B debe ser menor o igual que 120-6".

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 4.2.1.4 Separación de Soportes en Tuberías Horizontales en Forma de "U"

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Notas de la Figura 4.2.1.4-1: 1. 2. 3.

La suma de C y D de la Figura 4.2.1.4-1 debe ser igual o menor que 0.9 L. Para la determinación de L ver Sección 4.2.1. Todas las dimensiones están en pies.

Ejemplo: Entrar en la gráfica con el valor de A o B. Preferiblemente con el valor del espaciamiento del soporte que deba estar fijo, permitiendo que el otro varíe. Suponer las siguientes condiciones: Línea de 12". Schedule 3/8". Corrosión permisible 0.10" Línea llena de agua. Línea sin aislamiento. Temperatura de diseño 100Kæ. Dimensión A es fija = 10’-0". L calculado de la Tabla 4.2.1-1 es 40’-0" Entrar por la gráfica en la línea de fondo donde la dimensión A es igual a 10’-0"; moverse verticalmente hacia arriba hasta intersectar la curva donde L es igual a 40’ -0"; entonces ir horizontalmente hacia la derecha y conseguir la dimensión máxima de B, el cual es 22’-6". Esto significa que la dimensión real de B debe ser menor o igual que 22’6".

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 4.2.1.5 Separación de Soportes en Tuberías Horizontales en Planos Diferentes.

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Notas de la Figura 4.2.1.5-1: 1. 2. 3.

Todas las dimensiones están en pies. La separación de soportes debe ser usada donde aplique en los "Diagramas Típicos de Tuberías" mostrados en la Sección 4.2.1.1. Para la determinación del espaciamiento básico ver Sección 4.2.1.

Ejemplo: De las tres dimensiones A, B y C, se tienen dos de ellas fijas y se desea conocer el valor de la tercera. Entonces usar la gráfica para conseguir la dimensión máxima de "C". Suponer las siguientes condiciones: Línea de 10". Schedule 40. Corrosión permisible 0.10". La línea esta llena de líquido. La línea es aislada. La temp. de diseño es 500 Kæ L de la Tabla 4.2.1-1 es 35’-0". La dimensión A es fija = 7’-0" o 0.2 L. La dimensión B es fija = 14’-0" o 0.4 L. Entrar en la gráfica en la línea de fondo donde la dimensión A es igual a 0.2 L; moverse verticalmente hacia arriba hasta el punto donde la curva de B es igual a 0.4 L; entonces moverse horizontalmente hacia la izquierda para conseguir el máximo valor de C, el cual es para este ejemplo 0.5 L o 17’-6". El valor de C debe ser menor o igual a 17’-6".

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 4.2.1.6 Máximo Espaciamiento Para Guías en Tramos Verticales TABLA 4.2.1.6-1 (Espaciamientos en pies) TAMAÑO TUBERIA

ESPESOR AISLAMI.

PRESION VIENTO 30 lb/pie2





1"

1"

22

19

17

15

13

1 1/2"

1"

23

20

17

15

14

2"

1"

24

20

18

16

14

3"

1"

27

23

20

18

16

4"

1"

29

25

22

19

17

6"

2"

33

28

25

22

20

8"

2"

37

32

28

24

22

10"

2"

41

35

31

27

25

12"

2"

45

38

34

30

27

14"

2"

47

40

35

31

28

16"

3"

50

43

38

33

30

18"

3"

53

45

40

35

32

20"

3"

56

48

42

37

34

24"

3"

60

51

45

40

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NOTAS GENERALES: 1. Para líneas con espesor de aislamiento mayor que los mostrados, el espaciamiento reducido h1 puede ser conseguido por la siguiente fórmula:

h1 = h D

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1 2 D

(4.2.1.6.A)

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Donde: D1 = Diámetro exterior de la tubería + el doble del espesor del aislamiento de la tabla.

D2 = Diámetro exterior de la tubería + el doble del espesor de la tubería real. 2. El espaciamiento indicado contempla solamente tramos verticales de tubería que estén soportados por encima de las guías. Como se muestra en la Figura 4.2.1.6-1. 3. En el momento de establecer las elevaciones de las guías se deben chequear las interferencias entre los clips o planchas soldadas a los recipientes (pertenecientes a los soportes), y los demás elementos tales como bridas, refuerzo de boquillas, estructura de sujeción de plataformas y cordones de soldadura.

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4.2.1.7 Espaciamiento de Guías en Tuberías Horizontales Sometidas a Vibraciones por el Viento. Las líneas sobre puentes de tuberías deben ser correctamente guiadas, de acuerdo a la siguiente tabla: TABLA 4.2.1.7-1 0

ESPACIAMIENTO

2” - 6"

12 m

8" - 24"

18 m

26" - 100"

24 m

4.2.1.8 Refuerzos en el Punto de Soporte Para Líneas de Gran Diámetro. (Dentro de los Límites de Batería. Hasta 350 Kæ) Las tuberías sin aislamiento y vacías, marcadas con (+) en la Tabla 4.2.1-1 requieren un refuerzo en el punto de soporte, con las dimensiones mostradas en la figura de el refuerzo de tubería "RE-04" del "Manual de Soportes Normalizados de Tubería". Doc # 903-3060-T31-GUD-002 Rev. 1, cuando la carga en el soporte supere el 100% WL.

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Las tuberías sin aislamiento llenas con agua, cuyos espaciamientos están marcados con (+) requieren refuerzo en concordancia con la Tabla 4.2.1.8-1 mostrada a continuación, y con las dimensiones mostradas en detalle en la figura de el refuerzo de tubería "RE04" del "Manual de Soportes Normalizados de Tubería". Doc # 903-3060-T31-GUD002 Rev. 1. TABLA 4.2.1.8-1 TAMAÑO TUBERIA

SCHEDULE

REFUERZO REQUERIDO

CORROSION PERMISIB.

16" 18" 20" 24" 16"

3/8" WT 3/8" WT 3/8" WT 3/8" WT 1/2" WT

0.1" 0.1" 0.1" 0.1" 0.1"

18" 20" 24" 16" 18" 20" 24"

1/2" WT 1/2" WT 1/2" WT 1/2" WT 1/2" WT 1/2" WT 1/2" WT

0.1" 0.1" 0.1" 0.25" 0.25" 0.25" 0.25"

NO REFUERZO

1/4"

3/8"

CARGA MAX. EN EL SOPORTE (%WL) 95 300 400 70 200 300 55 140 200 35 90 140 150 300 400 110 95 55 95 70 55 35

200 140 90 300 200 140 90

300 200 140 400 300 200 140

Notas: 1.

"%WL" significa el porcentaje del peso calculado de multiplicar el peso "W" de la Tabla 4.2.1-1 (en lb/pie), por el espaciamiento "L" de los soportes (en pies).

2.

El espesor del refuerzo debe ser igual al de la tubería, siempre y cuando, sea igual o mayor que los espesores requeridos indicados arriba.

3.

Cualquier desviación a lo aquí indicado debe estar avalada por la ecuación para el chequeo de aplastamiento. Ver Sección 4.2.1.11.

4.2.1.9 Refuerzos en los Puntos de Soporte Para Tuberías de Gran Diámetro. (Para Tuberías Fuera del Límite de Baterías, Hasta 400Kæ). Las Tuberías sin aislamiento cuyos espaciamientos están marcados con (+) en la Tabla 4.2.1-2, requieren refuerzos en los puntos de soporte en concordancia con la siguiente tabla y con las dimensiones mostradas en la figura de el refuerzo de tubería "RE-04" del "Manual de Soportes Normalizados de Tubería". Doc # 903-3060-T31-GUD-002 Rev. 1.

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TABLA 4.2.1.9-1

TUBERIA

TUBERIA SINAISLAMIENTO

SIN ISLAMIENTO LLENA DE AGUA VACIA REFUERZO REQUERIDO TAMAÑO TUBERIA

SCHEDULE

TUBERIA

CORROSION

NO REFUERZO

PERMISIB.

1/4"

NO

1/4"

3/8"

CARGA MAX. EN EL SOPORTE (%WL)

14"

3/8" WT

0.1"

220

400

110

350

400

16"

3/8" WT

0.1"

170

350

80

250

400

18"

3/8" WT

0.1"

130

275

60

200

300

20"

3/8" WT

0.1"

105

200

45

130

200

24"

3/8" WT

0.1"

70

150

30

85

130

14"

1/2" WT

0.1"

225

400

135

350

400

16"

1/2" WT

0.1"

175

350

95

250

400

18"

1/2" WT

0.1"

135

275

70

200

300

20"

1/2" WT

0.1"

110

200

55

130

200

24"

1/2" WT

0.1"

75

150

35

85

130

14"

1/2" WT

0.25"

220

400

110

350

400

16"

1/2" WT

0.25"

170

350

80

250

400

18"

1/2" WT

0.25"

130

275

60

200

300

20"

1/2" WT

0.25"

105

200

45

130

200

24"

1/2" WT

0.25"

70

150

30

85

130

Notas: 1.

"%WL" significa el porcentaje del peso calculado de multiplicar el peso "W" de la Tabla 4.2.1-2 (en lb/pie), por el espaciamiento "L" de los soportes (en pies).

2.

El material y el espesor del refuerzo debe ser igual al de la tubería, siempre y cuando, sea igual o mayor que los espesores requeridos indicados arriba.

3.

Cualquier desviación a lo aquí indicado debe estar avalada por la ecuación para el chequeo de aplastamiento. Ver Sección 4.2.1.11.

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4.2.1.10 Espaciamiento de Soportes Para Líneas Mayores de 24 Pulgadas. Tanto el espaciamiento como la soportería de las líneas mayores de 24" dependen las especificaciones de cada proyecto. Como una guía se describe a continuación parte de las especificaciones para líneas mayores a 24": TABLA 4.2.1.10-1. Tuberías Soportadas en Concreto o Saddles* de 600mm de largo como mínimo. Línea Tamaño

Carga Max. (Kg)

30" 36" 42" 48"

9300 18000 19700 20500

Máximo Espaciamiento (m) (Ver Nota 1) 14 18 15 13

54"

20800

10

NOTAS: 1.

Los valores listados en la tabla están basados para 0.375" de espesor de pared para líneas de 30" y 0.5" para las tuberías mayores de 30". Estos valores sólo deben ser usados como referencia y deberán ser verificados para cada caso en particular basándose en el libro “Tubular Steel Structures. Theory and Design”, en su Capítulo 9 “Above ground pipelines”, el cual se encuentra en la Biblioteca de Santa Paula.

2.

Las tuberías de 30" pueden ser soportadas directamente sin saddles* solamente cuando se presente el siguiente caso: 2.1._ Durmiente o soporte de acero de 200 mm o mayor de ancho. 2.2._ Espaciamiento máximo de 6 metros entre soportes. 2.3._ Líneas de agua de enfriamiento de 0.5" de espesor API Gr. 60X, sin refuerzo. 2.4._ Todas las demás líneas con refuerzo.

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* Ver Figura 4.2.1.10-1

FIGURA 4.2.1.10-1 EJEMPLO DE SADDLE 4.2.1.11 Ecuación Para el Chequeo del Aplastamiento en Tuberías La máxima carga lineal permisible "F" que puede soportar una tubería sin sufrir aplastamiento, se puede calcular por medio de la siguiente Ecuación:

F = 0.8058 S h t

t D

(4.2.1.11.A)

Donde:

t = Espesor corroído de la tubería, pulg. D = Diámetro externo de la tubería, pulg. Sh = Esfuerzo máximo admisible a la temp. de flexibilidad o de diseño, psi. 4.3.

Análisis Estático El análisis estático se puede definir como el estudio de las cargas causadas por fuerzas mecánicas que no varíen rápidamente en función del tiempo y que estén presentes durante la operación normal del sistema de tuberías. Las cargas estáticas estén presentes hasta en un 100% del tiempo de la vida útil del sistema de tuberías. En su análisis se debe considerar la condición más desfavorable para el sistema.

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4.3.1.

Cargas Sostenidas. (Esfuerzos Longitudinales) Si se siguen las instrucciones para lograr un adecuado espaciamiento entre soportes de la Sección 4.2.1, el análisis de las cargas sostenidas se puede evitar. Sin embargo, en contadas excepciones podemos vernos obligados a hacerlo. En ésta sección se revisará la teoría y los métodos de análisis para las cargas sostenidas. El análisis a cargas sostenidas envuelve tanto el cálculo de los esfuerzos en la tubería como el de las cargas en los soportes. Las cargas sostenidas son aquellas debidas a la presión y al peso de la tubería. En la Sección 2.2.1 se muestra la relación entre las cargas sostenidas y los esfuerzos longitudinales y su criterio de diseño comparándolo con el esfuerzo admisible. El esfuerzo longitudinal debido a la presión se puede considerar constante y se debe usar la presión de flexibilidad si no se indica lo contrario. El esfuerzo longitudinal debido al peso varía de punto a punto a lo largo de la tubería y se debe estudiar en el punto más desfavorable del sistema. El método de análisis para los esfuerzos y las cargas debidas al peso de la tubería es bien conocido. Se divide el sistema de tuberías en pequeños segmentos con sus soportes, estos a continuación son modelados como vigas o cuerpos libres en equilibrio de fuerzas y momentos, solucionándolo estáticamente. Segmentos rectos, codos, válvula, bridas, etc., deben ser modelados como cargas concentradas para calcular las fuerzas y momentos en los soportes y conexiones. Ecuaciones de la Mecánica relacionan fuerzas cortantes, momentos flexores, deflexión y rotación en la tubería modelada como una viga. El esfuerzo torsor se calcula si no es factible despreciarlo.

4.3.2.

Cargas Debidas a la Expansión Térmica. (Esfuerzos Térmicos o Secundarios)

4.3.2.1 Introducción El sistema de tuberías debe tener la suficiente flexibilidad de tal manera que las expansiones (o contracciones) térmicas y los movimientos de los soportes o conexiones terminales no causen: 1.

Falla en la tubería o soporte por un excesivo esfuerzo o fatiga.

2.

Desplazamientos fuera de un rango admisible, produciendo fugas o interferencias con otras tuberías y/o miembros estructurales.

3.

Esfuerzo o distorsión perjudicial de la tubería o de los equipos conectados (bombas, recipientes, válvulas, etc.) como consecuencia de un excesivo empuje o momento en la tubería.

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El análisis de tuberías resulta de un compromiso entre la localización y uso de soportes a cargas y su interacción con las tuberías a altas o bajas temperaturas. Mientras más soportes son añadidos a un sistema, la tubería será más efectiva para soportar las cargas sustentadas y ocasionales. Sin embargo, cuando entran en operación la mayoría de las tuberías varían su temperatura con respecto a la de instalación y se expanden o contraen. Un sistema de tuberías muy restringido por los soportes posiblemente limitará su capacidad de expansión o contracción, generando grandes fuerzas en los puntos de restricción, causando altos esfuerzos en la tubería y/o en los equipos asociados, pudiendo sobrepasar los admisibles. De aquí la necesidad de optimizar la utilización de los soportes tanto en el tipo como en la cantidad. El trazado o arreglo de la tubería provee inherente flexibilidad a través de los cambios de dirección. La rigidez de una tubería recta entre dos restricciones se puede hacer más flexible de alguna de las siguientes maneras: a) Uno o varios lazos de expansión puede ser provistos si el espacio lo permite; b) Una junta de expansión puede ser instalada en la línea; c) Una de las restricciones puede ser reubicada de tal manera que la tubería cambie de dirección, haciendo que cada tramo resultante tubería absorba la expansión del otro tramo. Por otro lado, es inconveniente hacer el sistema innecesariamente flexible (a través del abuso en cambios de dirección o con la superflua inclusión de lazos o juntas de expansión) por el exceso de materiales que esto implica aumentando el costo de instalación y por el incremento de los costos de operación al aumentar la caída de presión. 4.3.2.2 Determinación de la Expansión La expansión térmica que nos concierne es la paralela al eje longitudinal de la tubería (dirección axial). La expansión térmica puede ser calculada por la siguiente ecuación: (4.3.2.2.A)

∆ = L α ( T O - T amb )

Donde: ∆ = Expansión térmica en la dirección longitudinal o axial, pulg. L = Longitud de la tubería, pulg. α = Coeficiente de expansión térmica, pulg/(pulg. x °F) TO = Temperatura de operación del sistema, °F. Tamb = Temperatura ambiente, °F. La norma ANSI/ASME B 31.3 facilita los valores de la expansión (y la contracción) térmica lineal para distintos materiales y temperaturas de operación, con respecto una temperatura ambiente estándar de 70 °F. Ver la tabla C-1 del Anexo A o referirse a la norma.

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4.3.2.3 Análisis de Flexibilidad. La norma ANSI/ASME B31.3 establece que no se requiere ningún análisis formal de flexibilidad si cumple con alguna de las siguientes condiciones: a.

Sistemas duplicados o reemplazos sin cambios significativos de configuración, de un sistema operando con exitoso historial de servicio. (Tubería Categoría IV para este manual)

b.

Sistemas que puedan ser adecuadamente juzgados por comparación con otros sistemas previamente analizados. (Tubería Categoría IV para este manual).

c.

Sistemas de tamaño uniforme, que no tenga más que dos puntos de fijación, sin restricciones intermedias y que cumpla con la siguiente ecuación empírica:

Dy 2 ≤ K1 (L -U )

(4.3.2.3.A)

Donde:

D = Diámetro exterior de la tubería, pulg. (mm) y = Resultante de todas las expansiones térmicas, pulg, (mm), a ser absorbida por el sistema de tuberías. L = Largo total desarrollado por la tubería entre anclajes, pie, (metros). U = Distancia entre anclajes, en línea recta entre ellos, pie, (metros). K1 = 0.03 para las unidades inglesas = 208.3 para unidades SI. La desigualdad del código no permite la evaluación directa de los esfuerzos (ni de sus reacciones y deflexión), sin embargo, su formulación nos dice que cuando el lado izquierdo alcanza un valor de 0.03, la flexibilidad inherente de la tubería ha llegado al límite admisible. Entonces, el rango de esfuerzo admisible SE para las unidades inglesas se puede estimar como: SE =

33.3Dy 2 SA (L -U )

(4.3.2.3.B)

Como no existe prueba analítica de las ecuaciones anteriores, éstas se deben aplicar con mucho cuidado. Se deben tomar precauciones para configuraciones anormales (configuraciones en "U" no proporcionales), tuberías de gran tamaño y pared delgada, condiciones donde existan movimientos extraños diferentes a la expansión de la tubería, con movimientos en los soportes, etc. T31GU003/25/03/02/mrp/SP

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Es importante resaltar que la Ecuación 4.3.2.3.A no asegura que las reacciones terminales (para boquillas de equipos) sean satisfactorias. EJEMPLO 4.3.2.3-1. Verificar si es necesario un análisis formal para la configuración dada en la Figura 4.3.2.3-1, usando la Ecuación 4.3.2.3.A. El diámetro de la tubería es de 10", la temperatura de operación es 300 °F, el coeficiente según la Tabla C-1 (ver Anexo A) para acero al carbono A106 GR. B es 0.0182 pulg./pie. La expansión en cada dirección es:

∆x = (15 + 25 ) x (0.0182 ) = 0.728 pulg ∆y = (50 - 10 ) x (0.0182 ) + (2 - 1 ) = 1.728 pulg ∆z = (15 ) x ( 0.0182 ) = 0.273 pulg y =

0.728 2 + 1.728 2 + 0.2732 = 1.895 D = 10.75 pulg

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Figura 4.3.2.3-1

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U =

40 2 + 40 2 + 152 = 58.5 pies (Distancia en lÍnea recta entre soportes)

L = 15 + 10 + 15 + 50 + 25 = 115 pies. Según la ecuación 2.2.2.1.D:

SA= = =

1.0 (1.25 Sc + 0.25 Sh ) = 1.25 x ( 20000 ) + 0.25 x ( 20000 ) 30000 psi. Dy 10.75(1.895) 2 = 2 = 0.00638 ≤ 0.03 (L -U ) (115 - 58.5 )

Conclusión: no se requiere análisis de flexibilidad. Si se quiere calcular el valor de SE, según la Ecuación 4.3.2.3.B: SE =

33.3Dy 2 S A = 33.3(0.00638)30000 = 6374 psi (L -U )

4.3.2.3.1

Método

Cantilever Este método es comúnmente usado por su simplicidad y aplicabilidad a cualquier configuración espacial que tenga dos puntos fijos. Para utilizarlo correctamente se deben tener presentes las siguientes suposiciones: 1. El sistema tiene solamente dos puntos terminales, sin restricciones intermedias y está compuesto por secciones de tuberías rectas de diámetro y espesor uniforme. 2. Todas las secciones de tuberías son ortogonales entre sí y forman un ángulo de 90° en sus uniones.

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3.

La expansión térmica de un brazo de tubería es absorbida por el (los) brazo(s) perpendicular(es) a ésta.

4.

La cantidad de la expansión térmica que un brazo puede absorber es inversamente proporcional a su rigidez. Como son brazos de sección transversal idéntica, sus rigideces varían de acuerdo al inverso del cubo de sus longitudes.

5.

Las secciones de tubería no tienen ramales. Sin embargo, el efecto de un ramal sobre la tubería del cabezal se puede despreciar si el diámetro del ramal es menor que la mitad del diámetro del cabezal. Pero la flexibilidad del ramal, para absorber los movimientos del cabezal debe ser comprobada.

6.

Durante su adaptación a la expansión térmica, las secciones de tubería actúan como vigas en voladizo guiadas; es decir, ellas están sujetas a flexión por los desplazamientos de uno de sus extremos, pero sin experimentar rotación en el extremo o codo que mantiene su ángulo de 90°. Esta condición se demuestra en la Figura 4.3.2.3.1-1.

El método de Cantilever se puede resolver de varias maneras, a continuación se muestran varios métodos reconocidos.

FIGURA 4.3.2.3.1-1

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4.3.2.3.1.1 Método analítico Las ecuaciones de la Mecánica para una viga a esfuerzo de flexión, guiada en su extremo se desarrollan a continuación: a) Largo permisible de una sección de tubería para un desplazamiento térmico perpendicular en su extremo es:

L =

E c Do ∆ 48 S A

(4.3.2.3.1.1.A)

b) Desplazamiento perpendicular permisible para una sección de tubería:

48 L2 S A ∆ = E c Do

(4.3.2.3.1.1.B)

c)

El esfuerzo flexor máximo

para la sección de tubería es:

Sb =

6FL Mb = Z Z

(4.3.2.3.1.1.C)

Donde Z, el módulo de sección, se puede buscar por tablas o calcular por la siguiente ecuación:

Z = π r 2MED t

(4.3.2.3.1.1.D)

d) Para un desplazamiento ∆ se produce la siguiente fuerza cortante y momento flexor en la restricción: Mb =

E c I∆ 24 L2

F =

E c I∆ 144 L3

(4.3.2.3.1.1.E) (4.3.2.3.1.1.F) Donde:

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA ∆

L SA Ec DO Sb Mb F rMED t I Z 4.3.2.3.1.2

= Desplazamiento térmico perpendicular al largo L del brazo en estudio, pulg. = Largo del brazo de tubería en estudio, pies. = Rango de los esfuerzos térmicos admisibles, psi. = Módulo de elasticidad a la temperatura de instalación, 27.9 x 106 psi, para aceros. = Diámetro exterior de la tubería, pulg. = Esfuerzo flexor máximo, psi. = Momento flexor en la restricción, lb-pulg. = Fuerza cortante en la restricción, lb = Radio medio de la tubería, pulg = Espesor de la tubería, pulg = Momento de inercia de la tubería, pulg4 = Módulo de sección de la tubería, pulg3

Método Gráfico El método analítico no provee resultados precisos, esto es debido a que el codo es flexible y el brazo es libre de rotar en cierto grado, esto redistribuye los momentos desarrollados en el sistema. En la mayoría de los casos este método da resultados conservadores; sin embargo, en muchos casos es deseable una mayor precisión. Una forma de corregir esto es usar modificaciones del método o a través de cartas o tablas para el cálculo de las reacciones térmicas como las que se muestran en las próximas secciones. A continuación se muestra un método Gráfico cuyo uso, ver Figura y Tablas 4.3.2.3.1.2-1, se ilustra con en el siguiente ejemplo. Ejemplo 4.3.2.3.1.2-1. Aplicar el Método Gráfico de esta sección al pequeño sistema mostrado a continuación. El tramo de tubería de 2.5 metros recibe la mayor deflexión 0.13 pulgadas. Entrando en la Gráfica Cantiliver Guiado Figura 4.3.2.3.1.2-1 en parte inferior derecha donde dice DEFLEXION ), se desplaza en la vertical hacia arriba hasta la línea inclinada de tamaño de tubería de 12". Luego se sigue una dirección paralela a las líneas de L S A / 10 3 (en nuestro ejemplo se sigue sobre la línea igual a 1.0) hasta coincidir con la proyección de una línea vertical para un esfuerzo de 18000 psi. Desde esta intersección se desplaza horizontalmente hacia la izquierda hasta leer el largo requerido en pies, aproximadamente 7.4 pies ( 2.25 metros). Como nuestro brazo es de 2.5 la tubería cumple con los requerimientos.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Para el cálculo de las reacciones utilizaremos la Tabla de Fuerzas (Tabla 4.3.2.3.1.2-1). Lo más importante que hay que tener en cuenta aquí es que el largo de la sección de tubería que está en la tabla, es el de la sección perpendicular a la que se le calcula las fuerzas. Para el brazo de 2.5 metros (8.20 pies) buscaremos la intersección entre 8 pies de largo y 12.75 de diámetro y el valor encontrado lo multiplicaremos por la expansión en pulgadas. En nuestro caso el valor en la intersección es "56849" (en caso de se considere necesario se puede interpolar entre 8 y 9). F = 56849

lb x 0 .1 3 p u lg - ex p = 7 3 9 0 lb (d ire ccio n + Y ) p u lg - e x p

M = 8.20 pies x 7390 lb = 60598 lb - pie. (dirección - Z)

Para

F = 13248

lb x 0.081 pulg - exp = 1073 lb (dirección - X) pulg - exp

M = 13.12 pies x 1073 lb = 14078 lb - pie. (dirección + Z)

el brazo de 4 metros (13.12 pies) el valor de la tabla es 13248, dando:

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Acordarse, para la evaluación de las boquillas o restricciones, que la expansión de una tubería es restringida en sus uniones, y por lo tanto, la fuerza calculada para un extremo la recibirá el otro extremo en sentido contrario. Es decir las reacciones en las boquillas serán:

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F X = + 1073 lb F Y = + 7390 lb M Z = - 60598 lb - pie

F X = - 1073 lb F Y = - 7390 lb M Z = + 14078 lb - pie

Nota importante: Los espesores y el módulo "I" mostrados debajo de los diámetros en la Tabla de Fuerzas, sirven para corregir el cálculo de la fuerza cuando se tengan tuberías con espesor diferente al mostrado. Esto se consigue multiplicando la fuerza o el valor las tablas por la razón de los momentos de inercia entre la tubería real y la tabulada. Por ejemplo, si la tubería del ejemplo fuera de sch. 20 la razón entre módulos sería 191.1 pulg4 /279.33 pulg4 = 0.6841, este valor es el hay que multiplicar a la fuerza. 4.3.2.3.2

Métodos Simplificados Soluciones especiales son usualmente presentadas en forma de tablas o cartas, las cuales son convenientes para resolver configuraciones simples. En las Figuras 4.3.2.3.2-1 cada carta aplica a una configuración específica aunque el largo de los brazos o secciones de tubería pueden variar. Como el número de variables que pueden manejar es limitado, estas soluciones están restringidas al número de brazos mostrados en cada configuración. Las cartas presentadas en esta sección son útiles para las configuraciones mostradas y proveen directamente el largo requerido en vez del esfuerzo para cada configuración asumida. Una dato asumido para todas las cartas presentadas es que el módulo de elasticidad es 29 x 106 psi. Las cartas están basadas en análisis precisos (sin suponer esquinas cuadradas) y los resultados serán tan precisos como precisa sea la lectura de las cartas. Las Cartas C-5, C-7, C-9, C-11, pueden ser usadas para determinar el largo requerido para un rango admisible de esfuerzos dado. Para los casos donde el cálculo de las reacciones terminales sea importante, como las reacciones a equipos, las mismas se pueden calcular por medio de las Cartas C-6, C-8, C-10, C-12. Las cartas han sido construidas para esfuerzos dados en función de SA . Para propósitos de diseño se puede aplicar un valor de 18000 psi.. Para las Cartas C-5 y C-6, tenemos el caso de dos brazos mostrados como en el ejemplo anterior que ilustra el método cantilever. La segunda solución en forma de carta es desarrollada para un sistema de dos miembros, sujeto a un desplazamiento en una de sus terminaciones en el mismo plano. La figura de la Carta C-7 muestra la terminación A desplazándose en su dirección longitudinal (en dirección AB). Estructuralmente, esto es equivalente a un movimiento horizontal de C hacia la izquierda. Este desplazamiento es, sin embargo, perpendicular a el brazo BC. Con una apropiada discreción, esta solución puede ser aplicada a movimientos terminales en direcciones tanto perpendicular como paralela

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA a las secciones o brazos de tubería. Los datos requeridos son los mismos a los de las cartas anteriores. El largo mínimo requerido, donde se iguala al valor del esfuerzo admisible es conseguido en la Carta C-7. Las fuerzas y momentos en las restricciones se encuentran en la Carta C-8. El tercer caso es mostrado en la figura de la Carta C-9, este arreglo está formado por dos secciones unidas en ángulo cerrado, en el cual uno de los extremos sufre un desplazamiento normal al plano de los miembros o secciones. Dados un diámetro nominal, el largo L de la sección de tubería más larga, el rango admisible de esfuerzo SA y el desplazamiento ), el largo requerido KL de la sección BC es conseguido en la Carta C-9. De la Carta C-10, los momentos y las fuerzas actuando en los extremos (retricciones) pueden ser conseguidos. El cuarto caso es la solución gráfica para el importante lazo de expansión simétrico, como el mostrado en la figura de la Carta C-11. Los datos que se necesitan para la carta C-11 son: el diámetro D de la tubería, la distancia L entre guías, el rango de esfuerzo admisible SA y la expansión térmica ) entre anclajes. El valor de K2L es conseguido a partir de cualquier valor de K1L. De la Carta C-12, las fuerzas que actúan en los puntos de anclaje y los momentos en las guías pueden ser encontrados. Por último, la Carta C-13 es una adaptación más del método Cantilever.

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TABLA 4.3.2.3.1.2-1. METODO CANTILEVER GUIADO TABLA DE FUERZAS Fuerza en: lb/pulg de expansión, está dada en la tabla en la intersección del diámetro en pulgadas y el largo del brazo en pies. DIAMETRO ESPESOR MODULO “I” LARGO SECCION 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44

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2.37 0.154 0.665

3.50 0.216 3.01

4.50 0.237 7.23

6.62 0.280 28.14

8.62 0.322 72.48

10.75 0.365 160.73

12.75 0.375 279.33

14.00 0.375 372.00

8671 2569 1083 554 321 202 135 95 69 52 40 31 25 20 16 14 11 10 8 7 6 5 5 4 3 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1

39298 11644 4912 2515 1455 916 614 431 314 236 181 143 114 93 76 63 53 45 39 33 29 25 22 20 17 15 14 12 11 10 9 8 7 7 6 6 5 5 4 4 4 3 3

94204 27912 11775 6029 3489 2197 1471 1033 753 566 436 343 274 223 183 153 129 109 94 81 70 61 54 48 42 38 34 30 27 25 22 20 19 17 16 14 13 12 11 10 10 9 8

366552 108608 45819 23459 13576 8549 5727 4022 2932 2203 1697 1334 1068 868 715 596 502 427 366 316 275 241 212 187 166 148 133 120 108 98 89 81 74 68 62 57 53 49 45 42 39 36 34

944174 279755 118021 60427 34969 22021 14752 10361 7553 5674 4371 3438 2752 2238 1844 1537 1295 1101 944 815 709 620 546 483 429 383 344 309 279 253 230 210 192 176 161 149 137 127 118 109 101 95 88

620316 261696 133988 77539 48829 32712 22974 16748 12583 9692 7623 6103 4962 4089 3409 2871 2441 2093 1808 1572 1376 1211 1071 952 850 762 686 620 562 511 466 426 390 358 330 305 282 261 243 226 210 196

454793 232854 134753 84859 56849 39926 29106 21868 16844 13248 10607 8624 7106 5924 4990 4243 3638 3142 2733 2392 2105 1862 1656 1478 1325 1193 1078 977 888 809 740 678 623 574 530 490 454 422 392 366 341

606901 310733 179822 113241 75862 53280 38841 29182 22477 17679 14155 11508 9482 7905 6660 5662 4855 4194 3647 3192 2809 2485 2209 1973 1769 1592 1438 1303 1185 1080 988 905 832 766 707 654 606 563 524 488 455

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA TABLA 4.3.2.3.1.2-1. Continuación) METODO CANTILEVER GUIADO TABLA DE FUERZAS DIAMETRO ESPESOR MODULO “I” LARGO SECCION 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

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16.00 0.375 562

18.00 0.375 806

20.00 0.375 1113

24.00 0.375 1942

28.00 0.375 3105

30.00 0.375 3829

36.00 0.375 6658

42.00 0.375 10621

114393 80341 58569 44003 33894 26658 21344 17353 14299 11921 10042 8539 7321 6324 5500 4813 4236 3748 3332 2975 2668 2401 2169 1966 1787 1629 1490 1366 1255 1156 1067 987 915 849 790 736 687 642 601 564 529 497 468

164162 115296 84051 63148 48640 38257 30630 24904 20520 17107 14412 12254 10506 9075 7893 6908 6080 5379 4782 4270 3828 3446 3113 2821 2565 2338 2138 1960 1801 1659 1531 1416 1313 1219 1134 1057 986 922 863 809 760 714 672

226609 159154 116023 87170 67143 52810 42282 34377 28326 23615 19894 16915 14502 12528 10896 9535 8392 7425 6601 5894 5285 4757 4297 3894 3540 3228 2951 2706 2486 2290 2114 1955 1812 1683 1566 1459 1362 1273 1191 1117 1049 986 928

395289 277624 202388 152057 117122 92120 73756 59966 49411 41194 34703 29506 25298 21853 19007 16634 14640 12952 11515 10282 9219 8298 7495 6793 6176 5631 5149 4720 4337 3995 3688 3411 3162 2936 2731 2545 2375 2220 2079 1949 1830 1720 1619

631941 443832 323554 243090 187241 147270 117913 95867 78992 65856 55479 47172 40444 34937 30386 26592 23405 20707 18408 16438 14739 13266 11983 10860 9874 9003 8232 7546 6934 6387 5896 5454 5055 4694 4367 4069 3798 3550 3324 3116 2925 2750 2588

779353 547365 399029 299796 230919 181624 145418 118230 97419 81219 68420 58175 49878 43087 37474 32796 28864 25537 22703 20272 18177 16361 14778 13394 12177 11103 10152 9306 8552 7877 7271 6726 6234 5789 5385 5018 4684 4378 4099 3843 3608 3391 3192

951798 693861 521308 401540 315822 252864 205588 169399 141229 118974 101160 86732 74922 65163 57028 50192 44407 39477 35251 31608 28449 25698 23290 21174 19307 17653 16183 14871 13698 12645 11697 10841 10067 9365 8727 8145 7614 7128 6683 6274 5897 5550

831533 640492 503764 403342 327932 270207 225274 189775 161360 138346 119508 103941 90965 80061 70833 62970 56229 50417 45379 40991 37151 33775 30797 28159 25813 23721 21850 20170 18657 17293 16058 14938 13920 12992 12145 11370 10660 10007 9407 8854

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TABLA 4.3.2.3.1.2-1. Continuación) METODO CANTILEVER GUIADO TABLA DE FUERZAS DIAMETRO ESPESOR MODULO “I” LARGO SECCION 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58

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48.00 0.250 10688

54.00 0.250 15245

60.00 0.250 20942

66.00 0.250 27905

72.00 0.250 36263

78.00 0.250 46143

84.00 0.250 67671

90.00 0.250 70975

162382 139222 120265 104600 91541 80568 71282 63360 56586 50732 45667 41251 37386 33989 30992 28337 25977 23872 21988 20297 18776 17402 16160 15033 14008 13075 12222 11442 10727 10071 9467 8910 8396 7921 7481 7073 6694 6342 6014 5708

231607 198574 171536 148191 130565 114915 101670 91190 80709 72366 65135 58836 53324 48480 44205 40418 37051 34049 31962 28950 26780 24821 23049 21442 19980 18648 17433 16320 15301 14364 13502 12708 11975 11298 10670 10088 9548 9045 8578 8141

318147 272772 235630 204937 179952 157854 139659 124156 110866 99406 89473 80821 73249 66594 60722 55520 50896 46771 43080 39768 36787 34096 31662 29453 27446 25617 23947 22419 21018 19731 18548 17457 16450 15519 14657 13858 13116 12425 11783 11184

423937 363473 313981 273082 238989 210343 186098 165440 147730 132461 119225 107695 97606 88738 80913 73981 67820 62323 57405 52992 49019 45434 42190 39247 36572 34135 31909 29873 28007 26292 24715 23262 21920 20680 19531 18466 17477 16557 15701 14903

550907 472334 408020 354871 310567 273341 241835 214990 191976 172133 154933 139950 126839 115316 105147 96139 88132 80990 74599 68863 65700 59041 54826 51002 47526 44358 41466 38820 36395 34167 32118 30229 28485 26873 25381 23997 22711 21516 20483 19366

700992 601013 519178 451550 395176 347808 307718 273561 244277 219028 197142 178078 161394 146731 133792 122331 112142 103054 94922 87624 81055 75126 69762 64897 60474 56443 52763 49397 46310 43476 40868 38464 36246 34195 32295 30534 28899 27378 25962 24642

876125 751167 648886 564363 493905 434703 384597 341906 305306 273749 246395 222568 201716 183390 167218 152893 140159 128801 118637 109515 101305 93895 87191 81110 75582 70545 65946 61738 57880 54337 51078 48074 45301 42738 40364 38163 36119 34218 32449 30799

924454 798578 694556 607843 534985 473320 420780 375737 336900 303236 273912 248250 225696 205794 188164 172492 158514 146005 134779 124675 115556 107305 99822 93018 86819 81159 75980 71233 66873 62861 59165 55752 52597 49676 46967 44451 42112 39934 37904

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4.3.2.3.3

Mecanismos de Reducción de Cargas Térmicas Los cambios en la dirección de la tubería otorgan de una mayor flexibilidad al sistema. Sin embargo, en ocasiones este solo hecho no es suficiente para resolver los problemas originados por la expansión o contracción térmica. Se han diseñado mecanismos, procedimientos y soportes, para reducir las cargas térmicas. En esta sección se mostrarán algunos de estos procedimientos.

4.3.2.3.3.1 Cold Spring (Pretensado en Frío) El "Cold Spring" se define como el pretensado o predeformación del sistema de tuberías antes de su unión por soldadura con una boquilla o punto terminal, para reducir las fuerzas y momentos causados por la expansión (o contracción) térmica. El "Cold Spring" puede ser "Cuy Sortee" (Corte corto) para operación de tuberías en caliente o "Cuy Long" (Corte largo) para tuberías de servicio criogénico (o frío). El "Cut Short" se consigue reduciendo la longitud de la tubería indicada en el plano en una cantidad deseada, pero nunca excediendo la expansión calculada. El "Cut long" es hecho aumentando la longitud indicada en el plano (haciendo la tubería más larga). La cantidad de "Cold Spring" (C) se expresa como un porcentaje o fracción de la expansión térmica. El "Cold Spring" no tiene la capacidad de reducir los esfuerzos en las tuberías. En la Figura 4.3.2.3.3.1-1 se muestra la posición de la tubería antes y después del "Cold Spring" ("Cut Short" en este caso). El largo de la tubería es inicialmente de 85 pies y tiene una expansión calculada de 1.54 pulg. para una temperatura de 300 °F. El porcentaje de "Cold Spring" deseado es, para este caso, de 50%. El largo de la tubería a ser reducido es igual al producto del porcentaje del "Cold Spring" por la expansión real, es decir 0.77 pulg. Por razones prácticas, el "Cold Spring" usado en el sitio es 3/4 pulg., como puede verse la tubería es halada hacia la izquierda de la figura durante su instalación. Esto es hecho por una fuerza física usando un equipo como por ejemplo un tractor; en esta posición la tubería es soldada a la boquilla o anclaje. Cuando la tubería se calienta, cruza su posición neutral y crece hacia el otro lado.

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Las siguientes dificultades pueden presentarse con respecto al "Cold Spring": 1. Considerar el pretensado para el cálculo de esfuerzos lo cual es erróneo. Sólo se deberá considerar para el cálculo de cargas y momentos sobre equipos y soportes. 2. En construcción pueden obviar la necesidad del "Cold Spring" y no aplicarlo. La cantidad de fuerza necesaria para empujar líneas grandes a su posición inicial, para la soldadura, puede ser considerablemente grande. 3. La reacción en frío (ambiente) sobre las boquillas necesita ser calculada y se debe tener la seguridad de que el equipo sea capaz de soportar la carga adicional de la pretensión en dicha condición. 4. Las deflexiones en la localización del "Cold Spring" se mantendrán iguales, porque el "Cold Spring" solo relocaliza los puntos de soldadura en la unión de la tubería, pero no reduce la expansión que experimentará. La expansión es un dato importante que debe mantenerse en cuenta para no subestimar la deflexión y por lo tanto usar un Spring más pequeño. 5. El "Cold Spring" debe ser indicado en los puntos de soldadura para evitar el costo de soldaduras adicionales.

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4.3.2.3.3.1.1 Reacciones Máximas en Sistemas Simples Debidas al Cold Spring Para un sistema de tuberías de dos anclajes o soportes fijos, sin restricciones intermedias, los valores instantáneos máximos de las reacciones (Fuerzas y momentos) pueden ser estimados de las Ecuaciones 4.3.2.3.3.1.1.A/B (a) Para Condiciones del Desplazamiento Extremo, Rm. La temperatura es la máxima o la mínima definida para el metal, cualquiera que produzca la mayor reacción: (b) Rm = R ç 1 -

2C E m ÷ 3 Ea

Donde: C= Factor de "Cold Spring" varía desde 0 para ninguna aplicación del "Cold Spring" hasta 1.0 para 100% de "Cold Spring". (El factor de 2/3 es basado en la experiencia de que el "Cold Spring" especificado nunca puede ser conseguido en el campo, aún con las más elaboradas precauciones). Ea = Módulo de elasticidad a la temperatura de instalación. Em = Módulo de elasticidad a la máxima o Mínima temperatura del metal. R= Rango de fuerzas o momentos (derivados del análisis de flexibilidad) correspondientes al rango de esfuerzos por los desplazamientos totales y basados en Ea. Rm = Estimación de la fuerza o momento de reacción máximo para la temperatura máxima o Mínima del metal. (b)

Para las Condiciones Originales, Ra. La temperatura para este cálculo es la temperatura esperada cuando se instale la tubería. Ra = CR o C1 R, cualquiera que sea el mayor. (4.3.2.3.3.1.1.B)

donde la nomenclatura es igual que para el apartado (a) y C1 = 1 -

4.3.2.3.33.1.1.C)

Sh Ea SE Em

C1 = "Self-Spring" estimado o factor de relajación; usar cero si C1 da valores negativos. Ra = Fuerza o momento instantáneo estimado en el momento de la instalación. SE = Rango de esfuerzos de desplazamientos o térmicos estimado. Sh = Esfuerzo máximo admisible a la temperatura de diseño o caliente del material.

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Para sistemas de múltiples puntos rígidos o dos puntos terminales con restricciones intermedias, las ecuaciones anteriores no pueden ser aplicadas. Cada caso debe ser estudiado para estimar el lugar, naturaleza y extensión de la elongación local y sus efectos sobre la distribución de los esfuerzos y las reacciones. Ejemplo 4.3.2.3.3.1.1-1. Calcular los momentos de reacción en la boquilla en frío y en caliente, después de aplicar 55% de "Cold Spring". El sistema es mostrado en la Figura 4.3.2.3.3.1.1-1. El momento calculado del análisis de flexibilidad sin "Cold Spring" es 2500 lb-pie.

El material de la Tubería es acero inoxidable A312 TP 304, La temperatura es de 900 °F.

R = momento antes del Cold Spring = 2500 lb-pie C = 0.55 Em = Módulo a la temperatura de operación = 23.5 x 106 psi. Ea = Módulo a la temperatura de instalación = 28.3 x 106 psi.

Rm = R ç 1 -

2(0.55)ö 23.5x 10 6 2C E m æ = 1315 lb - pie = 2500 ç 1 ÷ ÷ è 3 28.3x 10 6 3 Ea

Para calcular la reacción en caliente, usando la Ecuación 4.3.2.3.3.1.1.A Para calcular la reacción en frío, solo podemos evaluar CxR, ya que para evaluar C1 necesitamos SE y no lo tenemos, Ra = CR = 0.55(2500) = 1375 lb - pie

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La boquilla del equipo debe ser capaz de soportar el momento de 1315 lb-pie en las condiciones de operación como las 1375 lb-pie de las condiciones de instalación o en frío. 4.3.2.3.3.2 Lazos de Expansión Los lazos de expansión o "loops" proveen longitud perpendicular a la dirección de la tubería para absorber la expansión térmica, pueden ser simétricos o asimétricos. Los primeros tienen la ventaja de que la sección perpendicular absorbe cantidades iguales de la expansión en ambas direcciones. Por su parte, los lazos asimétricos son usados en ocasiones para aprovechar soportes existentes o para localizar el lazo en el cruce de carreteras. Los lazos de diferentes líneas pueden ser colocados uno al lado de otro en los rack de tuberías. Las líneas más grandes y calientes se localizan en la parte externa porque necesitan mayor desarrollo de tubería en la perpendicular. Los lazos tridimensionales son ampliamente usados porque no bloquean el recorrido de las líneas rectas. La altura usual de la sección vertical es de 3 pies. 4.3.2.3.3.2.1 Dimensionamiento, Fuerzas y Esfuerzos El cálculo de las fuerzas en los stops se realiza por medio de las tablas ITT GRINNEL, que se encuentran al final del ANEXO A A continuación se da un ejemplo de cómo dimensionar un lazo y como calcular las fuerzas y los esfuerzos que se generan. Ejemplo 4.3.2.3.3.2.1-1: Dada una tubería de q 6" SCH 40, ASTM-A53 G.R.B., SMLS operando a una temperatura de 176 EC (350 EF) y 36 mts (120 ft) entre los stops (" = 2.26 in/100 ft). a. b. c.

Calcular las dimensiones del lazo. Calcular las fuerzas en los Stops. Esfuerzo máximo de flexión.

En primer lugar hay que calcular la expansión térmica que va a absorber. ∆=α+L ∆ = Expansión térmica α = Coeficiente de expansión térmica L = Longitud de tubería entre stops ∆ = 2.26 pug x 120 ft = 2.71 pulg T31GU003/25/03/02/mrp/SP

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 100 pies Entrando en la Gráfica 2-69 se obtiene, que para una tubería de q 6" y una expansión (movement between stops) de 2.71 pulg. se obtiene un brazo H (Loop Height) de 9.5 pies aproximadamente: H = 9.5 pies = 2.895 mts . 2.9 mts. El valor de W puede ser igual o menor a H pero nunca menor de H/2, por lo tanto: W = 2.9 mts Una vez dimensionado el lazo se procede al cálculo de las fuerzas en los stops. De la Tabla 2-64.1 (a la fórmula que aparece en la Tabla 2-81 se le aplica la corrección L'/L para tomar en cuenta el efecto combinado de la guía y el anclaje, tenemos que: I p L′ Fx = Kx c L† L Donde: Fx = Fuerza de Reacción (lb.) Kx = Coeficiente de la Tabla 2-81 C = Coeficiente de expansión por Tabla 2-64.1 Ip = Momento de inercia de la tubería (m4) L = Distancia entre guías (pie) L' = Distancia entre anclajes (pie) Como primer paso debemos calcular el factor L/W = 6/2.9 = 2.0 Segundo, calculamos el factor L/H = 6/2.9 = 2.0 Como los valores anteriores obtenemos Kx y C Kx = 12

por Tabla 2-81; C = 365

por Tabla 2-64.1

Ip = 28.14 in4 (de la tabla de tuberías) L = 6 mts x 1000 mm x 1 m x 1 ft = 19.68 ft 1m 25,4mm 12m Fx = 12 x 365 x 28.14 (120 ) = 1939 lb = 880,3 Kg . 885 Kg 19,685 19.68 El esfuerzo máximo de flexión viene dado por: SB = KB C D (L') L L

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Donde: SB = Esfuerzo máx. de flex. (psi) KB = Coeficiente de la Tabla 2-81 C = Coeficiente de expansión Tabla 2-64.1 D = Diámetro ext. tub. (pulg) L = Distn. entre guías (pie) L' = dist. entre anclajes (pie) KB = 18 Tabla 2-81 ; C = 365 Tabla 2-64.1 D = 6,625 pulg ; L = 19.68 pies (6 mts) SB = 18 x 365 x 6.625 ( 120 ) 19.68 19.68 SB = 13.481 psi = 948 Kgr/cm5 El factor de intensificación de esfuerzos para codo de 6", 90E LR es 2.27. SB = 948 x 2.27 Kg/cm5 = 2150 Kg/cm5 La distancia entre guías depende mucho de la distancia entre pórticos del rack, por esta razón se tomó 6 mts que es un valor de práctica común de ingeniería. El valor del esfuerzo SB debe ser menor que el SADM de la norma correspondiente. Por alguna de las siguientes razones, un lazo de expansión puede ser la elección más apropiada: 1.

Los cambios de dirección son adaptables a la ruta de la tubería.

2.

Una junta de expansión es impráctico para tuberías de pequeño diámetro y a altas presiones.

3.

El fluido puede crear un problema de corrosión sobre el fuelle de la junta.

4.

La junta de expansión es prohibida por el código aplicable o estándar de diseño.

4.3.2.3.3.3

Juntas de Expansión A diferencia de válvulas, bridas u otros accesorios instalados en la tubería, la junta de expansión es un accesorio mucho más flexible que la tubería, y permite absorber compresiones o expansiones, desviaciones laterales y rotaciones de la tubería.

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Dentro de las razones que pueden motivar el uso de juntas expansión, se encuentran: 1.

El espacio es inadecuado para que un lazo dé la suficiente flexibilidad.

2.

Una Mínima caída de presión o de turbulencia en la tubería es esencial para el proceso o para la operación de la instalación.

3. El fluido es abrasivo y fluye a alta velocidad. 4.

La estructura de soporte disponible es inadecuada para el tamaño, la forma o el peso del lazo de expansión.

5.

Un lazo de expansión puede ser impráctico para tuberías de diámetro grande y a presiones bajas.

Existen juntas de expansión específicas para absorber cada tipo de movimiento de la tubería. Las juntas de expansión pueden clasificarse como deslizantes y flexibles. Existen movimientos relativos de partes adyacentes en el caso de las juntas deslizantes. las "Slip Joints" (Junta Movedizas o Resbaladizas), "Swivel Joints" (Uniones o articulaciones giratorias) y "Ball Joints" (Juntas Esféricas o de Bola, Juntas de Rótula) están agrupadas bajo la denominación de juntas deslizantes. Los acoplamientos (Coupling) Dresser o Vitaulic son algunos de los nombres de fábrica para este tipo de juntas. Las juntas deslizantes también se denominada "Packed Joints" porque vienen con recipientes sellados o "empaquetados" para contener la presión interna y evitar las fugas. Las Juntas flexibles pueden ser divididas en: "Bellow Joints" (Juntas de tipo fuelle), "Metal Hose" (Junta de Manguito) y tubería corrugada. La junta de expansión de tipo fuelle es la más usada. El fuelle es el elemento flexible que puede contener una o mas corrugaciones. El fuelle se une a la tubería por medio de bridas, o en el casos especiales, se puede soldar directamente a la tubería. Los fuelles suelen ser de materiales muy tenaces debido a que deben ser a la vez delgados, flexibles y resistentes a solicitaciones de fuerzas mecánicas, y a la corrosión o erosión. Los aceros inoxidables y las aleaciones de níquel y de titanio se cuentan entre los materiales habituales para su construcción. El diseño de tuberías con juntas de expansión es complicado y envuelve una cuidadosa selección de la junta a instalar. Las fallas en la junta son habituales y son fruto de un equivocado análisis del comportamiento del sistema (con o sin la junta) y una selección deficiente de la junta a usar. Una vez que se ha decidido usar una junta de expansión se debe consultar a una persona especialista o experimentada y contactar con los fabricantes como: Pathway, Flexonics, Adsco, Solar, Anaconda, Metal Bellows.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Para mayor información remitirse a los catálogos en los archivos en la Sección de Flexibilidad o consultar el Standard de la EJMA (Expansion Joint Manufacturers Association). 4.4.

Análisis Dinámico (Cargas Ocasionales)

4.4.1.

Introducción a las Cargas Ocasionales Las cargas que son aplicadas solamente durante un lapso corto de tiempo durante la vida de la planta son usualmente clasificadas como cargas ocasionales (de1 1 al 10% de la vida útil de la planta). Esta clasificación envuelve cargas producidas por vientos, sismos, golpe de ariete, descarga de válvulas de alivio, vibraciones de bombas, motores, etc.. Normalmente las cargas ocasionales varían rápidamente en función del tiempo y en la mayoría de los casos son de naturaleza cíclica. Por eso el análisis dinámico es usado para el estudio de éstas cargas. El análisis dinámico es el que da los valores más precisos de la estimación de las cargas y esfuerzos, pero a la vez es el más complicado. Por eso, este tipo de análisis generalmente se hace por computadora. Para los cálculos manuales generalmente se estima una carga estática equivalente a la carga dinámica. Esto hace los cálculos más sencillos, aunque, por lo general, conservadores en el diseño. Normalmente las cargas ocasionales van a someter al sistema de tuberías a cargas tanto horizontales como verticales, toda vez que las cargas sostenidas son generalmente verticales (como el peso). Las cargas ocasionales se resisten mejor por los soportes rígidos. Sin embargo, la flexibilidad del sistema debe ser la adecuada para poder acomodarse a los desplazamientos térmicos. Cuando los movimientos térmicos son lo suficientemente elevados como para permitir el uso de soportes rígidos, los amortiguadores pueden ser necesarios. Los amortiguadores actúan como restricciones rígidas cuando están sujetos a cargas instantáneas (dinámicas), pero no ofrecen resistencia a las cargas estáticas, como las debidas al peso y a la temperatura. Cuando sea posible, el uso de los amortiguadores debe ser evitado, porque sus componentes son costosos y requieren de inspección periódica. En general, no se realiza el estudio de cargas ocasionales a todas las tuberías, sino en aquellas que tengan real importancia desde el punto de vista de procesos o que contengan fluidos tóxicos o inflamables que generen peligro en caso de su ruptura. Otra consideración general en el diseño para este tipo de cargas es que no se analizan concurrentemente cargas ocasionales de dos fenómenos distintos, por ejemplo, se analizan las cargas ocasionales para viento y para sismos por separado, y diseña para la mayor de esas cargas.

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4.4.2. Introducción al Análisis Dinámico. El análisis dinámico de estructuras y tuberías envuelve la evaluación de una amplia variedad de condiciones de carga que dependen del tiempo. Las cargas dinámicas pueden ser causadas por el movimiento del suelo, por interacciones entre la tubería y el fluido, por interacciones entre la tubería y los equipos, e inclusive, por el viento. Las cargas dinámicas tienen un alto grado de incertidumbre. Los movimientos del suelo o las cargas por sismos son la mejor recopilación posible de datos del sitio proyectándose hacia el futuro, prediciendo las cargas para futuros eventos. Las interacciones entre la tubería y el fluido como el golpe de ariete producido por vapor o agua, descarga de válvulas de alivio y presiones pulsantes o cíclicas son altamente dependientes de las condiciones de operación de la planta o la instalación en el momento del evento y se predice su carga para el peor escenario posible a falta de mejores datos. Las interacciones entre equipos y tuberías incluyen cargas cíclicas causadas por falta de balanceo o instalación deficiente de los equipos rotativos. Una vez que el desbalance ha sido medido, el análisis puede ser bastante preciso; sin embargo ese dato es difícil de obtener en el diseño inicial. Las cargas de viento debido al efecto del vértice es dependiente de la dirección del viento, su velocidad y la duración; otra vez, la mejor información para el diseño se basa para en peor escenario posible. En conclusión, la mayor parte de la investigación dinámica está limitada por la cantidad y la precisión de los datos de carga disponible. Esta dependencia en la definición de la carga divide el análisis dinámico en dos clasificaciones generales: 1.

Diseño inicial del sistema de tuberías.

2.

Solución en campo a problemas existentes.

Para el diseño inicial a menudo existe adecuada información para el diseñador que conozca qué buscar y dónde buscar. En muchos casos, los problemas de campo son el resultado de una inesperada carga dinámica que excede o visualmente prueba los inherentes factores de seguridad del sistema. Los datos están en general disponibles durante el diseño inicial para el análisis de terremotos en zonas sísmicas de importancia. Las tuberías que pueden experimentar el cierre rápido de válvulas o que transporta fluidos en dos fases pueden ser chequeadas para el golpe de ariete de agua o de vapor durante la fase de diseño. También, las cargas debido a las válvulas de alivio pueden ser aproximadas durante el diseño inicial. En muchos casos, éstas cargas pueden obligar a relocalizar, a redimensionar o a colocar nuevos soportes en el sistema. El análisis dinámico de problemas de campo a menudo envuelve visibles vibraciones en estado estable. Estos problemas de vibraciones son causados por desbalance de equipos o por pulsaciones de presión del fluido. El análisis debe determinar si el límite por fatiga se excederá. Las soluciones en campo son requeridos cuando ocurren fallas en tuberías T31GU003/25/03/02/mrp/SP

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA o en los soportes durante un "evento". Por "eventos" podemos incluir golpe de ariete, descarga de válvulas de alivio o golpe de una carga de flujo. Un nuevo análisis es requerido para ajustar o adicionar soportes, o para modificar los tiempos de apertura y de cierre de la válvula de alivio. Existen técnicas disponibles para evitar o analizar las cargas dinámicas y algunos efectos de las cargas dinámicas se pueden aproximar a cargas estáticas. Aplicar el doble de la máxima carga dinámica como si fuera una carga estática es una aproximación satisfactoria para sistemas que responden en un solo grado de libertad. Muchos sistemas de tubería son diseñados para sismos usando el método estático. El conocimiento de las frecuencias naturales del sistema de tuberías provee una información muy importante que puede ser usada para investigar los problemas o inclusive para evitar el análisis. Una precisa determinación de los modos de vibración del sistema de tuberías indica la susceptibilidad del sistema a cargas dinámicas, tanto en estado instantáneo, como en estado estable (continuo en el tiempo). Como ningún dato acerca de las cargas dinámicas se requiere para calcular las frecuencias naturales del sistema de tuberías, el análisis solo produce las frecuencias características del sistema y sus posibles contornos de respuesta, y no incluye ni fuerzas ni esfuerzos. Si una frecuencia natural de un sistema de tuberías está cerca o coincide con una frecuencia de una pequeña carga Cíclica perturbadora, o cae dentro del rango de alta energía de un sismo, entonces el rediseño es indicado. Aquí los problemas futuros son más bien evitados que analizados. Las cargas dinámicas por su naturaleza son poco predecibles. Cada mejora en la precisión de la estimación de la carga requiere de mejores datos. Con la elección entre los métodos de análisis como el equivalente estático, cargas armónicas, espectro de respuesta o tiempo histórico, al ingeniero le queda la tarea de balancear los efectos de las aproximaciones, en el peor escenario, con el impacto en los costos por el sobrediseño. 4.4.3.

Vibraciones Si la frecuencia natural del sistema de tuberías es igual o está cerca de la fuente excitadora, por ejemplo un compresor desbalanceado, la amplificación resultante de la carga puede inducir altos esfuerzos flexores que pueden conducir a una prematura falla por fatiga. Los valores de la frecuencia natural usadas para los espaciamientos de soporte recomendados de la Sección 4.2.1 son 3.96 y 2.56 Hz, que son consideradas bastante seguras y fuera de la Mayoría de las fuentes excitatorias que se puedan conseguir en planta.

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En tuberías cercanas a fuentes de vibraciones, se les puede cambiar la distancia entre soportes o su rigidez en varios tramos de tuberías, hasta donde se considere que la misma configuración amortiguará completamente la vibración. El siguiente es un criterio de diseño para conseguir las dos primeras frecuencias naturales (y por consiguiente los dos primeros modos de vibración) para secciones de tuberías. Las dos primeras frecuencias naturales son las que en general amplifican más las cargas excitadoras. La frecuencia natural en ciclos por segundos es dada por la siguiente ecuación:

fn

4.4.3.A

α EI = 2 L W

Donde:

L = Longitud de la tubería en pies. E = Módulo de elasticidad, psi. I = Momento de Inercia, Pulg4. W = Peso de la tubería, lb/pie. α = Valor que depende de las condiciones terminales y del modo de vibración en consideración. Ver Tabla 4.4.3-1.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Tabla 4.4.3-1. Cálculo de las Frecuencias naturales (Valor de ") Configuraciones

Modos de Vibración

Valor de "

Por ejemplo, en un compresor reciprocante, las frecuencias de excitación provenientes de sus cambios de presión periódica, vienen determinados por la velocidad de rotación multiplicado por el número de cilindros para los de acción simple y por el doble del número de cilindros para los de etapas de doble acción. Las frecuencias naturales que deben ser evitadas en la tubería son la mitad de las rpm, el rpm y todos sus múltiplos hasta 5 veces las rpm del equipo. Si éstas frecuencias se acercan a las frecuencias naturales del equipo conectados, las resonancias en formas de grandes cargas de presiones aparecerán en el sistema. Estás cargas pueden afectar la tubería, soportes, maquinarias y equipos adyacentes. Por otro lado, la respuesta de un sistema de tuberías los sismos es igual a la suma de las respuestas de sus modos de vibración. Por estudios complicados de observaciones y la teoría de vibraciones, las estructuras de soporte o el suelo responden con cargas calculadas en función de la aceleración de gravedad "g". Donde 1 "g" es una fuerza igual en magnitud al peso de la estructura. La respuesta de la tubería a Éstas cargas se puede relacionar por medio de gráfica de Espectro de Respuesta, ver Figura 4.3.3-1. Es universalmente aceptado que si las frecuencias naturales del sistema de tuberías están por debajo de 4 Hz y por encima de 33 Hz, las fuerzas que soportarán las tuberías por la acción de los terremotos estarán por debajo de 1 "g".

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FIGURA 4.3.3-1. Gráfica Típica de Espectro de Respuesta 4.4.4. Cargas Debidas al Viento El viento posee una energía cinética en virtud de su velocidad y de su masa. Si un obstáculo es puesto en su camino, el viento es desacelerado y el aire detenido o desviado, entonces toda o parte de la energía cinética del viento es convertida en energía potencial de presión. Un sistema de tubería al aire libre usualmente está diseñado para soportar la máxima velocidad esperada en la vida útil de operación de la planta o instalación. Si se siguen los lineamientos para los espaciamientos de las guías en las tuberías, según las Secciones 4.2.1.6 y 4.2.1.7, el análisis de las tuberías para cargas de viento puede ser muy bien evitado. Sin embargo, a continuación se describe un procedimiento para calcular la presión y fuerzas dinámicas que se puede aplicar tanto en tuberías, como soportes y estructuras. La intensidad de la fuerza ejercida por el viento depende de la forma del obstáculo, del ángulo de incidencia del viento y de la velocidad y densidad del aire. Además se toman en cuenta factores como la altura y la localización geográfica del obstáculo o tubería (por ejemplo, se toma en cuenta si la tubería está en una ciudad o en el campo). Usando Aire estándar (densidad = 0.07651 lb/pie3, y temperatura = 59 °F), la expresión para la fuerza dinámica del viento puede ser adaptada de la ecuación de Bernoulli (usando factores de corrección de la norma ANSI A58.1), como sigue:

P = 0.00256 K Z Gh C f V 2 A f

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(4.4.4.1.A)


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Donde: P = Presión dinámica, lb/pie2. KZ = Coeficiente de Exposición. (Ver Tabla 6, Anexo B) Gh = Coeficiente de Ráfaga. (Ver Tabla 8, Anexo B) Cf = Coeficiente de Fuerza. (Ver Tabla 4.4.4-1) V = Velocidad básica del viento, mph (millas por hora) Af = Area proyectada en la dirección del viento, pies2. Para el caso de tuberías bajo cargas de viento, la ecuación se puede reescribir como: F = 0.000213 K Z G h C f V 2 D

(4.4.4.B)

Donde: F = Fuerza de presión dinámica lineal sobre el largo proyectado de la tuberías, lb/pie. D = Diámetro exterior de la tubería incluido el aislamiento, pulg. La velocidad básica del vientos V es la máxima a 33 pies de altura sobre el nivel del terreno, medida en lugares donde los obstáculos no tengan más de 30 pies, y es estadísticamente determinada por medio de observaciones. La velocidad básica de diseño debe ser al menos 70 mph. Tabla 4.4.4-1. Coeficiente de Fuerza. Cf Cf para Valores de h/D de:

Forma

1

7

25

Plana, (viento perpendicular a la superficie)

1.3

1.4

2.0

Plana, (viento diagonal a la superficie)

1.0

1.1

1.5

Redonda,

0.5

0.6

0.7

0.7

0.8

1.2

2

(D 0.00256 K z V > 2.5)

Redonda,

(D 0.00256 K z V

2

≤ 2.5)

Notas: 1. 2. 3. 4.

h: Alto de la estructura, pies. D: Diámetro o minina dimensión horizontal, pies. Interpolación lineal debe ser utilizarse para otros valores de h/D diferentes a los mostrados. Para puentes de tuberías usar Cf = 2.

Las tablas de Kz y Gh muestran valores según las categorías de exposición A, B, C y D, que adecuadamente toman en cuenta las características topográficas y los tipos de construcción circundantes a la instalación estudiada. En general, para diseño de tuberías T31GU003/25/03/02/mrp/SP

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA se usa la categoría C. Las categorías se describen a continuación:

Exposición A: Grandes centros urbanos con el 50% de sus edificaciones por encima de los 70 pies (21.3 metros). El área de influencia de esta categoría se limita en la dirección contraria al viento media milla o 10 veces la altura de la estructura, cualquiera que sea mayor. El efecto de aumento de la velocidad del viento por su canalización debido a las construcciones de ésta categoría debe tenerse en cuenta. Exposición B: Pueblos y pequeños centros urbanos, áreas de bosques y terrenos con numerosas obstrucciones o espacios cerrados de uno a dos pisos de alto. El área de esta categoría se limita en la dirección contraria del viento 1500 pies o 10 veces la altura de la estructura, cualquiera que sea mayor. Exposición C: Terrenos abiertos con obstrucciones dispersas teniendo generalmente alturas menores de 30 pies. Esta categoría incluye sabanas y terrenos planos alejados de las ciudades. Categoría D: Terrenos planos, sin obstrucciones expuestos a vientos provenientes de o que fluyen sobre largas áreas de aguas. Esta categoría aplica solamente a construcciones que reciben el viento proveniente de lagos, mares, etc. Esta categoría se extiende desde la línea de la costa tierra adentro 1500 pies o 10 veces la altura de la estructura, cualquiera que sea mayor. Usualmente, el análisis estático es usado en los cálculos de las cargas debidas al viento, la fuerza F es modelada como una carga uniformemente distribuida a lo largo de la longitud proyectada de la tubería en un plano perpendicular a la dirección del viento. Un análisis similar aplica a soportes y estructuras usando la presión dinámica P. Ejemplo 4.4.4-1. Una tubería vertical de 8" y con aislamiento de 2" de espesor, se verá expuesta a una velocidad básica máxima del viento de 75 mph en la dirección norte-sur, su altura es 30 metros. La tubería está en una planta alejada de la ciudad. Calcular la fuerza distribuida lineal por pies para esta tubería. V = 75 mph h =

30 metros = 98.43 pies 0.3048

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA D = 8.625 pulg + 2x2 pulg = 12.625 pulg = 1.05 pies

Para una altura de 100 pies y Categoría C, Kz y Gh son respectivamente 1.38 y 1.19 (Ver tablas del Anexo B).

D 0.00256 K z V 2 = 12.625 0.00256(1.38)752 = 45.20 > 2.5 98.43 h = = 93.74 1.05 D

F = 0.000213 K Z Gh C f V 2 D = 0.000213(1.38)1.19(2.33)752 (12.625) = 57.88 lb / pie Extrapolando con 7 y 25 en la Tabla 4.4.4-1, Cf = 2.33 Por lo tanto la fuerza lineal dinámica es: Esta fuerza se puede aplicar conservadoramente a toda la tubería. Si se desea, se pueden hacer precisiones de esta fuerza en función de la altura. 4.4.5.

Sismos En general, los efectos de los sismos no son asumidos en el diseño, a menos que la zona en donde se efectúe se sospeche o tenga un historial de sismos de importancia. Dado el caso, solo se analizan tuberías importantes desde el punto de vista de procesos o de seguridad. Ecuaciones parecidas para la estimación de los equivalentes estáticos de las cargas dinámicas de terremotos han sido desarrollados por la normas ANSI A 58.1 y por el Uniform Building Code. Ambas pueden aplicarse convenientemente a las tuberías. Por ejemplo, el UBC recomienda que la fuerza lateral sísmica sea calculada por medio de la siguiente ecuación:

V = ZKCW

(4.44.5.A)

Donde: V = Fuerza lateral sísmica, lb. Z = Factor sísmico, depende de la zona: va de 0.1 para zona 0, hasta 1.00 para la zona 3. K = Factor que depende del tipo de construcción, Varía de 0.67 a 3.0. C = Depende del período natural de la estructura y en general no es mayor que 0.1. W = Peso total de la estructura, lb.

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Si se está fuera del zona de resonancia para terremotos (ver Sección anterior) los valores de las fuerzas laterales pueden llegar a un valor cercano de 0.20 "g", dependiendo de la aceleración registrada del terreno durante el sismo. Otra aproximación más conservadora, según la bibliografía consultada, sugiere diseñar para sismos con una fuerza lateral de 0.5 "g". Como en el caso del viento, el análisis estático es aplicado en los casos manuales con aproximaciones simples, simulando la fuerza del sismo como una fuerza lateral, horizontal y uniformemente distribuida. Usualmente no se suman los efectos del viento y los terremotos, es decir, se Diseña las tuberías para la mayor de ambas cargas. Generalmente la carga debida al viento es mayor que la calculada para los sismos. Una combinación de cargas que si se suele usar es la apertura de válvulas de alivio y los sismos, lo cual es comprensible ya que durante sismos suelen activarse los sistemas de seguridad y de alivio de la planta. 4.4.6.

Válvulas de Alivio Las válvulas de alivio son usadas en los sistemas de tubería para evitar los problemas causados por un aumento de la presión. Cuando una presión preestablecida es alcanzada, la válvula se abre, permitiendo que una suficiente cantidad de fluido escape del sistema y baje la presión. Esto permite una controlada descarga del fluido al mismo tiempo que se evitan las fallas de los componentes bajo presión. Cuando la válvula de alivio descarga, el fluido ejerce una fuerza de reacción a chorro, la cual es transferida a través del sistema de tuberías. Esta fuerza debe ser resistida por los soportes de la tubería, si la tubería por si misma no es capaz de resistirla internamente. La magnitud de Ésta fuerza de reacción es usualmente dada por los fabricantes de válvulas. Si este valor no es conocido, se puede calcular fácilmente si la válvula descarga a la atmósfera. Si por el contrario descarga a sistemas cerrados, las condiciones dinámicas que se pueden desarrollar hacen difícil la estimación de la carga. Para válvulas que descargan a la atmósfera, la norma ANSI/ASME B31.1 recomienda el uso de un método para calcular el equivalente estático de la fuerza de descarga, este método se describe a continuación.

F = DLF ç

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WV 1 + P A1÷ gc

(4.4.6.A)

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Donde: F = Fuerza en la descarga, lb. DLF = Factor dinámica de carga, usar DLF = 2, adimensional. W = Flujo máximo de la válvula x 1.11, lbm/.s V1 = Velocidad del flujo a la salida, pie/s. gC = Constante de aceleración gravitacional, 32.2 lbm-pie/(lbf-s2). P = Presión estática manométrica en la descarga, ver Ecuación 4.4.6.C., psi. A1 = Area de flujo en la descarga. pulg2. La velocidad del fluido en la salida se puede estimar por medio de la siguiente ecuación:

V1 =

(50113.5)( ho - a) 2b - 1

(4.4.6.B)

Donde: hO = Entalpía de estancamiento en la entrada de la válvula de alivio, BTU/lbm. Los valores de a y b se consiguen de la siguiente tabla: Tabla 4.4.6-1. Valores de a y b. Condiciones del vapor a, BTU/lbm Húmedo, calidad < 90 % 293 Saturado, calidad > 90% 823 Subrecalentado 831

b, adimensional 11 4.33 4.33

y la presión P: (4.4.6.C)

W b - 1 48.33( ho - a) P = - PA 2b - 1 A1 b Donde: PA = Presión atmosférica, en psi.

Para válvulas descargando en sistemas cerrados el valor de P de la Ecuación 4.4.6.C puede ser aproximado a cero. El factor de carga dinámico (DLF) es usado tomando en cuenta el incremento de la carga causada por la aplicación instantánea de la fuerza, variando de 1.1 a 2, dependiendo de la rigidez de la instalación de la válvula y el tiempo de apertura de la misma. Sin embargo, un valor de 2 debe ser tomado en los cálculos.

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FIGURA 4.4.6-1 CÁLCULO DE LAS CARGAS EN LA VÁLVULA DE ALIVIO

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4.4.7.

Golpe de Ariete

Cuando una tubería está llena con agua (u otro líquido) en movimiento, las leyes que gobiernan los cambios de presión y descarga dependen de las condiciones de flujo bajo las cuales ocurre el cambio. Si el agua es considerada incompresible y la velocidad del agua que pasa a través de cualquier sección de la tubería permanece constante, se puede aplicar la ecuación de Bernoulli entre cualesquiera dos puntos de la tubería. Sin embargo, cuando el movimiento es variable, esto es, cuando la descarga en cada sección está variando rápidamente de un instante al siguiente, rápidos cambios de presión ocurren dentro de la tubería y la ecuación de Bernoulli no se puede aplicar. Estos cambios de presión son referidos como "golpe de ariete" (en inglés se denomina "waterhammer") por el sonido de golpeteo o martilleo que acompaña al fenómeno. Una breve explicación de los eventos que se suceden al cerrarse bruscamente una válvula al final de una tubería que viene de un tanque de almacenamiento, sin tomar en cuenta la fricción producida es la siguiente (ver Figuras 4.4.7-1 y 4.4.7-2).

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Figura 4.4.7-1. Comportamiento de la Tubería y el Líquido desde el Cerramiento de la Válvula (t=0) hasta el Tiempo t=2L/c. En el instante t=0 en el cual se cierra repentinamente la válvula cortándose el flujo, el líquido que se encuentra junto a la válvula se comprime y su velocidad se vuelve cero, produciéndose al mismo tiempo una expansión de la tubería (ver Figura 4.4.7-1). Tan pronto ocurre con la primera capa, el proceso se repetirá en las siguientes capas adyacentes (t=p). Por su parte, el líquido en las partes mas alejadas continúa moviéndose con velocidad V=U hasta comprimirse por efecto del líquido que continúa llegando. Esta onda de alta presión que se mueve a velocidad "c" corriente arriba frena al fluido hasta encontrarse todo en reposo al llegar al extremo de la tubería en el tiempo t=L/c, pero con una presión adicionada "h" que da origen, por efecto del desbalance de presiones, a que el fluido comience a moverse en sentido contrario (de la válvula hacia el tanque, en el tiempo t=L/c + p). Este nuevo flujo en sentido contrario origina un nuevo cambio en las condiciones del fluido y la tubería, recuperando las que existían originalmente (la presión del líquido y el tamaño de la tubería), excepto por la velocidad que adopta el fluido que es en sentido contrario a la original (V=-U). En el instante t=2L/c en que la onda llega nuevamente a la válvula, como ella está cerrada no se puede mantener un flujo continuo, por lo que se desarrolla una presión negativa "-h" con la que se frena el líquido al mismo tiempo que se expande (consecuencia de la disminución de la presión) mientras la tubería se contrae.

Figura 4.4.7-2. Comportamiento de la Tubería y el Líquido a Partir de t=2L/c, Hasta t=4L/c. Esta onda de presión negativa se propaga a lo largo de la tubería corriente arriba a velocidad "c" frenando el líquido (t=2L/c + p, en la Figura 4.4.7-2 ). Podría ocurrir que el líquido vaporizara en caso de que la presión estática no compense la presión negativa T31GU003/25/03/02/mrp/SP

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA "-h" de forma que la presión final no sea superior a la de vaporización. En el instante t=3L/c todo el líquido dentro de la tubería está en reposo pero con una presión menor en "-h" a la existente antes de cerrar la válvula, por lo que debido a este nuevo desbalance se comienza a mover el fluido del depósito hacia la válvula (V=U), retornando tanto la tubería como el fluido a las condiciones originales conforme la onda viaja a velocidad "c". En el momento en que la onda llega a la válvula (t=4L/c) se tienen las mismas condiciones que en el instante en que se cerró la válvula.

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Figura 4.4.7.1-1. Tanque de Oscilación para Evitar el Golpe de Ariete. Recordar igualmente que estos efectos se trabajan suponiendo cierre instantáneo de la válvula, que es la condición más crítica. Como este caso no es deseado, los sistemas se construyen siempre que es posible con válvulas de compuerta: el cierre y la abertura son procesos que se hacen gradualmente. 4.5.

Combinación de cargas Las tuberías, soportes y boquillas de equipos conectados a los sistemas de tuberías deben ser diseñados para soportar cualquier combinación de cargas simultáneas que puedan ocurrir. Las condiciones normales de operación incluyen las cargas sostenidas y las cargas de expansión térmica. Estas cargas deben ser combinadas con las cargas ocasionales, de la forma como lo requieran los estándares de diseño (ver Sección 2) o según la especificación del proyecto. En muchos casos, los esfuerzos admisibles pueden ser aumentados por un factor para la combinación de cargas sostenidas con las ocasionales. Las cargas pueden ser sumadas algebraicamente para arribar a valores reales, o absolutamente para introducir un análisis más conservador. La Mayoría de los análisis para cargas combinadas en tuberías, se hacen por computadora. El ingeniero, en los cálculos manuales, debe aplicar los criterios de diseño de ésta sección (y las anteriores) a fin de evitar largos análisis manuales o debe usar directamente los programas en la computadora. Algunas combinaciones buscan evaluar los esfuerzos admisibles de la tubería, otras se usan para evaluar las cargas en los soportes y en las boquillas, siendo algunas de ellas habituales y otras son opcionales, y dependen de las especificaciones del proyecto o norma de diseño a aplicar.

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La siguiente es una lista bastante amplia de casos de análisis de cargas combinadas y se muestra aquí para fines ilustrativos. No se debe creer que se aplicarán todos los casos de cargas aquí nombrados a cada sistema de tuberías a estudiar. NOTACION: CARGAS: W: Peso; P: Presión; T: Térmicas; VIENT: Viento; TERR: Terremoto. VA: Descarga válvula de alivio. WH: Golpe de ariete. CASOS DE CARGAS: 1)

Condiciones normales u operacionales:

A. W + P (Cargas sostenidas, para el cálculo de los esfuerzos longitudinales y compararlo con el esfuerzo admisible Sh o Sy según la norma a aplicar.) B. T (Esfuerzos térmicos, para el cálculo de SE y su comparación con el rango admisible de esfuerzos SA) C. W + P + T (Caso Operacional, para el estudio de las reacciones en soportes y boquillas. No existe criterio de esfuerzo admisible para la tubería en este caso). D. W (Poco usado, estudio de las cargas en la tubería, soportes y boquillas en el momento de la instalación) 2) Condiciones ocasionales o de emergencia: A. W + P + VIENT (Para el cálculo de los esfuerzos para las cargas ocasionales y compararlo con el esfuerzo admisible para la tubería, según las normas ANSI/ASME B31) B. W + P + TERR (Explicación IDEM a la anterior) C. W + P + TERR + VA ( IDEM ) D. W + P + WH ( IDEM , donde sea factible el golpe de ariete de vapor o de agua) E. W + P + T + VIENT (Para la evaluación de las cargas en soportes y boquillas) F. W + P + T + TERR (Explicación IDEM a la anterior) G. W + P + T + TERR + VA ( IDEM ) H. W + P + T + WH ( IDEM, donde se factible el golpe de ariete de vapor o agua)

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ANALISIS DE EQUIPOS

5.1.

Evaluación de las Cargas en Conexiones de Tuberías a Equipos La gran mayoría de los equipos de la industria cumplen con una o varias normas o estándares de fabricación. En Inelectra, el Departamento de Ingenería Mecánica se encarga de seleccionar los equipos para los nuevos proyectos, cumpliendo las especificaciones para el uso y aplicación de los mismos. El primer paso que tiene que dar un ingeniero de flexibilidad a la hora de evaluar las cargas en un equipo, es enterarse de la norma de construcción del equipo. Generalmente, estas normas indican las cargas admisibles que pueden ser aplicadas a las boquillas o conexiones. Por otro lado, la norma usada por el fabricante representa los requerimientos mínimos que debe cumplir en su construcción. A menudo el equipo supera los requisitos de diseño de la norma y las solicitaciones en la boquilla pueden ser superiores a las especificadas en la norma. Por esto, la mejor información es la suministrada por los fabricantes. El segundo paso es saber transformar el sistema de coordenadas usado en el análisis de tubería al sistema de coordenadas del estándar o norma a aplicar, es decir, ser consistentes transfiriendo las cargas del análisis de tuberías (evaluadas en el punto de la conexión) a la boquilla del equipo según el sistema de coordenadas de la norma. Algunos sistemas de coordenadas son de cuidado, como la norma API 661 cuyos momentos de su sistema de referencia no siguen la regla de la mano derecha. Las normas pueden requerir como datos para la evaluación de las cargas la distancia de los centros de las bridas de las boquillas al eje de la bomba, o a la base de la fundación.

5.1.1.

Bombas Centrífrugas Las bombas centrífugas pueden regirse según varias normas de diseño como la API 610, ANSI B 37.1 o por el estándar del fabricante. En el Anexo E se consigue un compendio de la norma API 610 Octava Edición para la evaluación de las cargas de la tubería en las boquillas (Agosto 95).

5.1.1.1 API 610 Para el caso de las bombas cuya norma de fabricaci n sea el API 610 se debe tomar los siguientes lineamientos: 1.

Las fuerzas y momentos de las configuraciones de tubería conectadas a las boquillas están dentro de los límites satisfactorios si sus valores son iguales o menores que los de la Tabla 2.1A o Tabla 2.1B, (ver Anexo E).

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2.

Si el criterio del punto 1 falla, pero: las fuerzas y los momentos para cada boquilla son menores o iguales que el doble del valor dado en la tabla del punto 1, y las desigualdades de los párrafos F.1.2.2 y F.1.2.3 se cumplen, entonces las fuerzas y los momentos son satisfactorios.

3.

Las bombas verticales "en línea", son satisfactorias desde el punto de vista de las cargas en las boquillas para valores de hasta el doble de la Tabla 2.1A (2.1B). Inclusive si no se cumple lo anterior, y el esfuerzo causado por las cargas en la boquilla es menor que 5950 psi entonces la solicitación de cargas es aceptable. Las ecuaciones para la evaluación de estos esfuerzos se enseñan en el punto F.2 del Apéndice F de la norma. Las ecuaciones de los párrafos F.1.2.2 y F.1.2.3 relacionan los requerimientos de fuerzas y momentos en cada boquilla, como también sus resultantes en el punto de la base de la bomba respectivamente. La convención de signos de estas ecuaciones o desigualdades es según la regla de la mano derecha.

5.1.1.2 ANSI B 73.1 Las cargas aplicadas en las boquillas de bombas cuyo estándar de fabricación sea el ANSI 37.1, deben verificarse según los admisibles o fórmulas proporcionadas por los fabricantes para este tipo de bombas. 5.1.1.3 Estándar del Fabricante Para el caso de bombas que se rijan según el estándar del fabricantes, se deben solocitar los admisibles a este para poder verificar las cargas aplicadas. Nota importante: En general, las normas API o ANSI aplican a bombas de carcasa de acero al carbono. Si la bomba es de acero fundido sus valores admisibles serán menores que los de la norma. 5.1.2.

Compresores Centrífugos En los compresores centrífugos, en general, se pueden evaluar las cargas en las boquillas por medio de la norma API 617, Apéndice G. La norma API 617 Sexta Edición (Febrero 1995), desarrolla su propio criterio adaptando las ecuaciones de la NEMA. En el Anexo E se encuentra copia del Apéndice G. Para ejemplos, puden servir los contenidos en la norma NEMA 23, con las consideraciones de las adaptaciones entre normas.

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5.1.3.

Turbinas de Vapor El estándar de referencia para las turbinas de vapor es la NEMA 23 (National Electrical Manufacturers Association). Ver Anexo E. La norma puede ser convenientemente aplicada a sopladores (aire o gas) cuando no se disponga de la información de los admisibles del fabricante.

5.1.4.

Equipos Reciprocantes Las normas de referencia para los diversos equipos reciprocantes son: API 618 para compresores reciprocantes, API 674 para bombas de desplazamiento positivo y API 675 para bombas de desplazamiento positivo de volúmen controlado. El diseño de este tipo de equipo depende de su uso y de su fabricante, lo que hace difícil su estandarización. Las normas API establecen que los requerimientos de las tuberías de proceso y auxiliares pueden ser dados por decisión del fabricante o por requerimiento del cliente. Por otro lado, las normas API muestran más preocupación por los efectos de la interacción del equipo con el sistema de tuberías desde el punto de vista dinámico. Toda vez, que la mayoría de estos equipos introducen una perturbación cíclica eb forma de pulsación de presión o vibración. En el Anexo E se podrán conseguir extratos de estas normas con los requerimientos generales que deben cumplir los sistemas de tuberías, y las técnicas de análisis para evitar los efectos negativos de las pulsaciones. Por lo anterior, lo más aconsejable es identificar con anticipación la necesidad de el análisis de estos equipos y asegurarse de que los fabricantes aporten la información tanto de las cargas admisibles de sus boquillas, así como de los diseños o mecanismos necesarios para controlar el efecto de las vibraciones.

5.1.5.

Calentadores de Fuego Directo. (Fired Heaters) Los requerimientos mínimos de carga para las boquillas que se conectan a calentadores de fuego directo están contenidos en la normas API 560, pag. 16 (API 560, Segunda Edición 1995). Existen además, algunas definiciones de los sistemas de tuberías y cargas de los equipos auxiliares que se han incluido en el extracto de esta norma que se encuentra en el Anexo E.

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5.1.6. Enfriadores por Aire Los enfriadores por aire son equipos complejos y delicados. Los sistemas de tuberías conectados a estos deben ser analizados con sumo cuidado debido a lo complejo del sistema y lo frágil de la carcaza del equipo. Los requerimientos para la evaluación de las cargas en las boquillas de estos equipos están delineados en la sección 4.1.10 parrafos 4.1.10.1 al 4.1.10.3 del API 661, Tercera Edición, Abril 1992. Los requirimientos que tienen que cumplir las cargas se evaluan tanto individualmente como su efecto total sobre la carcaza. Ver extracto de la norma en el Anexo E. Un punto importante a tener en cuenta es que el sistema de referencia de esta norma usado para la evaluación de las boquillas no sigue la regla de la mano derecha. Ver Figura 5.1.6-1.

FIGURA 5.1.6-1 SISTEMA DE REFERENCIA EN LA BOQUILLA. NORMA API 661 (NO CUMPLE LA REGLA DE LA MANO DERECHA) La Norma API 661 en su sección 4 (DESIGN), párrafo 4.1.1.2, señala que: “El vendedor debe dejar provisiones para un movimiento lateral del haz tubular del intercambiador de al menos ¼” (6 milímetros) en cada una de las dos direcciones, o al menos ½” (13 milímetros) en una sola de las direcciones, a menos que el comprador y el vendedor estén de acuerdo con un movimiento mayor”. (Ver extracto de la Norma en el Anexo E). Los “Movimientos Laterales” a los que se refiere la Norma, son interpretados como movimientos horizontales en ambas direcciones: “X” y “Z”.

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Basándose en lo anterior, se ideó un método para la simulación de Air Coolers, que permite unos arreglos de tuberías bastante rígidos. Deben analizarse en la computadora las líneas de entrada y salida en un mismo cálculo. En las boquillas del equipo no se colocará ningún tipo de restricción o desplazamiento. Entre las boquillas y el eje central del equipo se colocará un rígido sin peso y se deberán interconectar de esta manera todas las boquillas pertenecientes a un mismo haz tubular, y en uno ó dos nodos ubicados en el eje del equipo se colocarán las restricciones: Y, X (GAP = 6 mm), Z (GAP = 6 mm), RX, RY, y RZ. Ver Figura 5.1.6-2.

Cabe destacar que es conveniente que este análisis se realice en una etapa muy temprana del Proyecto, para definir el ruteo definitivo de las tuberías que permita unas cargas en las boquillas por debajo de los admisibles, e inclusive, para poder solicitar a la disciplina de Equipos, en caso de requerirse, unos desplazamientos mayores a los indicados en la Norma. Si esta solicitud se realiza antes de pedirse las cotizaciones a los fabricantes, se minimizará el impacto en costo de dicho requerimiento. 5.1.7.

Tanques Cilíndricos Verticales de Fondo Plano Para los tanques cilíndricos de fondo plano, cuyos diámetros sean mayores a 120 pies, se les puede aplicar la norma API 650, Apéndice P. Una aplicación típica de esta norma es la evaluación de las cargas que ejercen un sistema de tuberías a las boquillas de los tanques de un patio de almacenamiento de hidrocarburos. En el Anexo E se presenta un extracto de esta norma. Actualmente la Sección de Flexibilidad tiene un programa de computadora que hace el análisis de las cargas en la boquila por esta norma. Ver Sección 9 y Anexo G.

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5.1.8.

Recipientes a presión y otros equipos A los recipientes a presión generalmente se les evalua sus cargas en las boquillas con el boletin WRC-107 (Welding Research Council Bulletin No. 107). Esta norma estima los esfuerzos locales en la unión de la boquilla al equipo. En resumen, el boletin provee una herramienta analítica para evaluar los esfuerzos en las proximidades de la boquilla. El método computa los esfuerzos circunferenciales, longitudinales y cortantes en cuatro puntos de la pared exterior del recipiente y en cuatro puntos en la superficie interior del recipiente. La convensión adoptada por el WRC define los límites de aplicación de la norma y las aplicables orientaciones de las cargas y los esfuerzos, tanto para recipientes esféricos como para cilindricos. Sin embargo, la evaluación de las ecuaciones para el cálculo de los esfuerzos, son suficientemente largas y complicadas como para hacerlo manualmente, se recomienda el uso un programa por computadora como el CAESAR II. Además la Sección de Flexibilidad tiene un programa de computadora que hace el análisis de las cargas en la boquila por este boletin, ver Sección 9 y Anexo G. En todo caso, se debe averiguar primero si la norma o estandar usado en la construcción de recipiente, o el mismo fabricante, tiene alguna previsión precisa para las cargas admisibles en las conexiones. Por ejemplo, en la construcción de los intercambiadores de calor se pueden aplicar normas específicas de institutos o asociaciones conocidos (HEI o TEMA). Además, para recipientes grandes o de importancia, se recomienda evaluar las cargas en las boquillas manteniendo la comunicación, y la colaboración necesaria, con grupo de equipos del Departamento de Ingeniería Mecánica, tal como lo establecen los procedimientos de diseño de Inelectra.

5.2.

Movimientos de las Boquillas Debido a la Temperatura de los Equipos Por la misma razón que las tuberías se expanden debido al aumento de la temperatura, los equipos también experimentan las expansiones térmicas, y por lo tanto, las boquillas conectadas a estos equipos se desplazarón en función de los movimientos de expansión de la superficie del equipo a la cual está conectada. Los movimientos de las boquillas deben ser incluidos en el análisis de las tuberías.

5.2.1.

Movimientos de las Boquillas en Recipientes Verticales Los movimientos verticales térmicos de una boquilla a cualquier altura estudiada en un recipiente vertical es igual a la expansión de la falda (o faldón), si lo tiene, y la suma de todas las expansiones en el eje vertical, de todas las zonas de temperatura constante de la pared del recipiente que están por debajo de la altura en estudio. El movimiento horizontal se basa en la expansión radial del recipiente que es igual a la distancia radial desde la boquilla al centro del recipiente y el coeficiente de expansión térmica evaluada

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA a la temperatura local o para el recipiente a esa altura. En el caso de que el recipiente está soportado por vigas estructurales la expansión de la base del recipiente se puede despreciar. Generalmente, dependiendo del proceso y tipo de recipiente, las temperaturas cambian en función de la altura. 5.2.1.1 Expansión Térmica de la Falda La falda o faldón son base de recipientes hechos de paredes metálicas cerradas donde tienen aberturas para el paso de las tuberias que salen del fondo del recipiente. El desplazamiento vertical de la falda o faldón define el movimiento vertical de la parte más baja del recipiente. Un método para calcularlo se define a continuación: 1.

Calcular

Kxh (5.2.1.1.A) t

donde: K= Factor de corrección de la temperatura; 1 para bases completamente aisladas; 1.7 para bases aisladas o protegidas contra fuego y 2.7 para bases sin aislar. h = Altura del faldón del recipiente, pies. t = Espesor de la base o faldón, pulg. 2.

Buscar en la Tabla 5.2.1.1-1 el factor de corrección de la temperatura "F".

3.

Calcular un )T definido como la temperatura de la parte baja del recipiente menos la temperatura ambiente:

∆T = T BASE - T AMB 4.

Calcular un corregido )T1 : ∆ T 1 = F x ∆T

5.

T 1, la temperatura promedio de la falda es: T 1 = ∆ T 1 + T AMB

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6.

La expansión en sentido vertical de la falda es igual al coeficiente de expansión a la temperatura promedio T 1 multiplicado por la altura de la falda. 0abla 5.2.1.1-1. Factor de Corrección de la Temperatura F (K x h) / t

F

(K x h) / t

F

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00

1.000 0.800 0.527 0.372 0.285 0.227 0.191 0.162 0.142

18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 32.00 34.00

0.128 0.117 0.104 0.099 0.089 0.081 0.077 0.072 0.069

Nota: Extrapolar para valores mayor que 34.00 o usar F=0.

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Ejemplo 5.2.1.1-1. En el siguiente recipiente se han especificado las expansiones verticales y horizontales cuyos cálculos se explicarón a continuación. La base es de falda o faldón Mat. A283 Gr C (Acero al Carbono), aislado contra incendio o "Fireproofing", el espesor de la base es 1.5 pulg. El recipiente y las boquillas son de A167 TP 310 (25 Cr - 20 Ni). El diámetro del recipiente es 3 pies.

Figura 5.2.1.1-1 Torre de Proceso con Base de Falda El primer paso es diferenciar las zonas de temperatura constante y calcular las temperaturas promedio de las diferentes zonas de interes del recipiente, es decir, las zonas entre boquillas y zonas de temperatura constante. Por ejemplo, en el recipiente tenemos un líquido en el fondo a 400 Kæ. Luego es recomendable determinar todas las constantes de expansión tomando en cuenta las temperaturas tanto para expansiones verticales como para las horizontales,y los materiales de las boquillas y el recipiente. Las temperaturas en el recipiente son datos de la gente de procesos y servirán para calcular la expansión horizontal y las verticales para zonas del recipiente a temperatura constante. Las temperaturas promedio son fáciles de calcular, por ejemplo, entre la superficie superior del líquido y la segunda boquilla de abajo hacia arriba la temperatura promedio será: (400+350)/2 = 375 Kæ. Las demás temperaturas promedio están mostradas en la Figura 5.2.1.1-1. T31GU003/25/03/02/mrp/SP

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Las constantes de expansión se pueden mostrar convenientemente en forma tabulada. Los datos se pueden extraer de la Tabla C-1 del Anexo A, o de la norma B31.3. Coeficientes de Expansión en Función del Material y las Temperaturas (pulg./pies) Material Temp. Kæ Material Temp. Kæ α α A283 Gr.C (C.S.) 400 0.02700 25 Cr- 20 Ni 312.5 0.02585 A283 Gr.C (C.S.) 110 0.00306 25 Cr- 20 Ni 300 0.02450 25 Cr- 20 Ni 400 0.03530 25 Cr- 20 Ni 287.5 0.02315 25 Cr- 20 Ni 375 0.03260 25 Cr- 20 Ni 275 0.02180 25 Cr- 20 Ni 350 0.02990 25 Cr- 20 Ni 272.5 0.02153 25 Cr- 20 Ni 337.5 0.02855 25 Cr- 20 Ni 270 0.02126 25 Cr- 20 Ni 325 0.02720 Expansión en el Faldón: Siguiendo el procedimiento descrito anteriormente: 1.7 x 14 Kxh = 19.4 = 1.5 t

en la Tabla 5.2.1.1-1 interpolando entre 18 y 20, F = 0.120. ∆T = T BASE - T AMB = 400 - 70 = 33

∆ T 1 = F x ∆T = 0.120 x 330 _ F = 39.6 _ F ~ 40 _ F T 1 = ∆ T 1 + T AMB = 40 + 70 = 110 _ F Como el material del faldón es A283 Gr C (Acero al carbono), implica " = 0.00306, y la expansión es por lo tanto: 14 pies x 0.00306 pulg/pie = 0.0428 pulg. Inmediatamente después del faldón tenemos una zona de temperatura constante definida por la altura del líquido acumulado en el fondo del tanque. Ahora se debe trabajar con el material del recipiente A167 TP-310. La expansión vertical en la altura del nivel del líquido es la expansión de esa zona más la expansión del faldón.

10 pies x 0.0353

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pulg + 0.0428 = 0.396 pulg pies

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Entre el nivel del líquido y la primera boquilla del lado izquierdo (de abajo hacia arriba) tenemos dos temperaturas para el desplazamiento vertical 400 Kæ y 350 Kæ. Su promedio es (400 +350)/2 = 375 Kæ, Por lo que el desplazamiento vertical de esta boquilla es:

15 pies x 0.0326

pulg + 0.396 = 0.885 pulg pies

Para el desplazamiento horizontal en la expansión en ese punto debemos usar su temperatura local es decir 350 Kæ (" = 0.0299 pulg/pie) y la distancia radial al centro del recipiente 4'-0".

4 pies x 0.0299

pulg = 0.120 pulg pies

De la misma manera se puede seguir con las demás boquillas, mostrándose los resultados en la figura. El mismo procedimiento aplica para predecir los movimientos de los soportes tal como se muestra para el primer soporte de tubería vertical cercana a la boquilla superior del equipo. 5.2.2

Movimientos de las Boquillas en Recipientes Horizontales y Equipos concerniente a los recipientes y equipos horizontales es determinar la ubicación del soporte fijo. Los soportes deslizantes están libres de moverse junto con la expansión o contracción térmica del equipo a lo largo de alguno de sus ejes principales. Esto implica que en el diseño, las tuberías deben tener la capacidad de crecer y contraerse junto con el equipo, o en el peor de los casos, de absorber estos movimientos sin sobrecargar las boquillas. Debido a que en el intercambiador tenemos diferentes temperaturas debido a los "gradientes" formados por el intercambio de calor, se deben tomar temperaturas promedio con respecto a los puntos de referencia.

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En la Figura 5.2.2-1 el intercambiador es de acero inoxidable austenítico. Según las temperaturas en las boquillas se puede considerar que el soporte anclado está a temperatura ambiente 70 Kæ. La parte superior izquierda del equipo se contraerá y la parte superior derecha se expandirá, siendo consecuente a las direcciones del sistema de coordenadas.

Figura 5.2.2.2-1 Intercambiador de Calor Coeficientes de expansión para el Acero inoxidable austenítico a las temperatura de interés son: (70 + 40)/2 = 55 Kæ (para la boquilla superior izquierda) (70 + 110)/2 = 90 Kæ (para la boquilla superior derecha) " a 55 Kæ = -0.001575 pulg/pie " a 90 Kæ = +0.00306 pulg/pie Para la boquilla superior izquierda de la figura:

∆X = 0.001575 x 11 / 12 = + 0.00144" ∆Y = 0.001575 x 63 / 12 = - 0.00827" Los signos indican el movimiento del centro de la boquilla en la dirección de los ejes coordenados de referencia de la Figura.

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Para la boquilla superior derecha:

∆X = 0.00306 x 101 / 12 = + 0.0258" ∆Y = 0.00306 x 63 / 12 = + 0.0161" Algunos intercambiadores están arreglados uno encima del otro, algunos quipos con expansiones y contracciones térmicas estan interconectados unos al lado de otro. Las expansiones y contracciones de los intercambiadores y equipos, y sus interacciones con el sistema de tuberías es de importancia crítica. 5.3.

Arreglos de Tuberías y Soportes Alrededor de los Recipientes y Equipos Las consideraciones básicas al momento de diseñar los arreglos y la soportería de las líneas de un equipo o recipiente son: mantener los momentos y las fuerzas en la boquilla por debajo de los admisibles; facilitar la instalación, la alineación y el mantenimiento del equipo; el arreglo de líneas y soportes debe poder acomodarse o absorber las expansiones y las contracciones de los equipos o recipientes a los cuales está conectado; y por último el diseño debe ser lo más ordenado y simple posible.

5.3.1.

Equipos Rotativos Centrífugos Se recomienda colocar resortes lo más cerca posible de la boquilla y a una distancia no mayor de la mostrada en la Tabla 5.3.1-1. Para más información ver Figura 5.3-1. Los resortes podrán sustituirse por soportes ajustables cuando el desplazamiento vertical sea menor o igual a 2 mm, dependiendo de la criticidad del equipo o de requerimientos específicos del proyecto. Tabla 5.3.1. Distancia Máxima entre Boquilla y Primer Soporte DIAMETRO DISTANCIA (mm) 2" 3" 4" 6" 8" 10" 12" 14" 16" 18" 20" 24"

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300 450 500 650 700 800 850 900 950 1000 1100 1200

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Requerimientos de soportes en turbinas de vapor: -

Debido a las altas temperaturas de trabajo de estos equipos, usualmente se utilizan resortes en la línea de entrada, salida y extracciones de vapor, para reducir las fuerzas en las boquillas y permitir los movimientos térmicos de estas, manteniendo las cargas por debajo de los admisibles. Para la realización del estudio flexibilidad con un programa de computación se deben calcular previamente todos los movimientos de las conexiones de la turbina.

-

Frecuentemente en turbinas de vapor de gran tamaño el vendedor provee un resorte directamente debajo de la válvula de entrada al gobernador; en otros casos hacen referencia a ese resorte pero no lo suplen, por lo que es responsabilidad del grupo de diseño.

-

Se deben colocar stops en las líneas de suministro y descarga de vapor para eliminar la transmisión de movimientos de las tuberías.

-

Usualmente la soportería de las turbinas de vapor es similar a las de las bombas centrífugas que operan a altas temperaturas.

Requerimientos de soportes en compresores centrífugos:

5.3.2.

-

Cada línea debe tener un stop en el punto donde la diferencia de expansión térmica con el compresor sea la mínima (puede coincidir con el punto de anclaje del compresor), pero no tiene que ser necesariamente un apoyo. Ver Figura 5.3-2.

-

Este stop debe ser colocado después de que la tubería ha sido conectada al compresor. Se debe colocar una nota en el plano de soportería indicando esto.

-

Los primeros dos soportes más cercanos al compresor deberán ser resortes, no sólo para compensar expansiones térmicas, sino para facilitar la alineación de la tubería del compresor. El resorte más alejado de la boquilla podrá sustituirse por un soporte ajustable, en los casos en los que el desplazamiento sea menor o igual a 2 mm, y no exista otro requerimiento especial en el proyecto.

Equipos Rotativos Reciprocantes Por lo particular de su diseño y fabricación los arreglos de tuberías y soporterías se deben hacer con mucho cuidado, siguiendo las recomendaciones de los fabricantes y de las normas de fabricación aplicables, o en su defecto, de la norma API aplicable. Una consideración especial para estos equipos es el estudio de los efectos dinámicos que las vibraciones o las pulsaciones pueden tener sobre el sistema de tuberías.

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FIGURA 5.3.1 REQUERIMIENTOS DE SOPORTES PARA BOMBAS CENTRIFUGAS

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FIGURA 5.3-2 Requerimientos de Soportes para Compresores Centrífugos 5.3.3.

Recipientes Horizontales y Verticales El grupo de flexibilidad es el responsible de la ubicación de soportes y guías de las líneas en equipos horizontales y verticales. El grupo de recipientes es el responsable del diseño de los clips y/o planchas, pero en base a las cargas y a la definición del tipo de soporte hecho por el grupo de flexibilidad. Los clips y planchas son los accesorios soldados al recipiente a los cuales se les sueldan o apernan los soportes. Esto con el fin de evitar que el soporte sea soldado directamente al cuerpo del equipo y no afectar la garantía del fabricante o estampe ASME. Los soportes para equipos deben ser seleccionacionados del estándar de Inelectra (Manual de Soportes Normalizados Doc# 903-3060-T31-GUD-002), a menos que se supere la capacidad de los mismos. La elevación requerida de los soportes y cualquier

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA elemento estructural especial necesario debe ser anotado junto con la denominación estándar del soporte. Si el soporte estándar no es aplicable debido a su capacidad para la carga, entonces debe ser soporte especial debe ser definido para sus cargas, con la elevación y las dimensiones y nombres de sus perfiles y estructuras. Los soportes de las líneas deben ser ubicados lo más cerca posible de la boquilla del equipo, de manera de minimizar los esfuerzos y reacciones en la misma. Esta ubicación puede estar definida por la separación entre la línea de soldadura y el clip o plancha requerido para el soporte, o por la configuración de la tubería, como puede ser la existencia de un codo, o por la ubicación posible del trunnion, cartela o zapata en la tubería. En la configuración de la tubería y los soportes se debe chequear sus posibles interferencias tanto con las demás instalaciones y plataformas, como con los otros clips o planchas, plataformas, soldaduras del recipiente o accesorios, etc. En caso de líneas calientes con aislamiento, este será cortado para dejar libre el bracket. En caso de las líneas frias no se permite el corte del aislamiento. La información requerida por el grupo encargado del diseño de recipientes puede ser suministrada utilizando los formatos que se encuentran en el Anexo F ("Cargas Sobre Boquillas de Equipos" y "Ubicación de Cargas Sobre Soportes")

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6.

SELECCION Y DISEÑO DE SOPORTES

6.1.

Consideraciones Generales Todos los esfuerzos deberán concentrarse en seleccionar el soporte en vez de diseñar el soporte. Es decir, se debe hacer todo lo posible para seleccionar soportes y arreglos del estándar. Los soportes y estructuras de acero de diseño complicado o que sean difíciles de analizar deben ser evitados, excepto cuando se justifique por economía en la construcción, es decir, se use para combinar varios soportes de tuberías y/o de otras disciplinas en una misma estructura. Cuando sea posible se debe evitar el uso de accesorios soldados a la tubería como lugs, trunnions, etc., en favor de las abrazaderas, con la intención de minimizar el tiempo de construcción y los esfuerzos locales inducidos en la pared de las tuberías por el accesorio soldado. Las estructuras y soportes deben dejar suficiente espacio para las expansiones térmicas. Los soportes de acero deben ofrecer seguridad al personal y sus aristas deben estar alejadas de los pasillos o caminos usuales de operadores y del personal. El criterio general de selección y diseño de soportes es: 1.

Usar lo más simple posible.

2.

Usar criterios de proporción y estética.

Los soportes deben ser proporcionales a la tubería y de estética conveniente. Inclusive, para el personal y el cliente no entendido en la materia, los soportes deben inspirarles seguridad y confianza a la vista. Esto posiblemente evite dos problemas en el futuro: a) La selección y diseño de soportes en los límites de la seguridad, promoviendo la posibilidad de errores y fallas en los soportes, y b) Justificar dicha selección y diseño del soporte a el cliente (con la consiguiente pérdida de tiempo). 6.2.

Soportes Estructurales Como soportes estructurales se clasifican a todos aquellos soportes, estructuras de apoyo y accesorios formados por perfiles ó tubos que en la mayoría de los casos no van soldados a la tubería. Esta categoría no incluye a los soportes colgantes, de resorte de carga variable o constante y a los amortiguadores, ni a las estructuras principales del pipe-rack. Generalmente este tipo de soportes tienen algún tipo de pre-ingenería y sus configuraciones básicas aparecen en el estándar de soportes, donde el ingeniero solo tendrá que seleccionarlo, según el tipo y magnitud de las cargas resultantes del análisis de tuberías.

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Cuando se requieran soportes que resistan cargas superiores a las cubiertas por el estándar, se deberán diseñar soportes especiales (se recomienda que dicho diseño sea llevado a cabo por el grupo civil). En contadas ocasiones nos podemos ver obligados a diseñar un soporte no contemplado para un proyecto o verificar uno previamente diseñado, pero aplicado a un uso no especificado para el mismo. En el caso de el diseño de soportes con perfiles la referencia oficial es el AISC Manual of Steel Construction. Para el caso de trunnions, la Sección de Flexibilidad cuenta con un programa de computación para evaluar los esfuerzos locales en la conexión con la tubería. Ver Sección 9 y Apéndice G. A continuación, se presentan algunos métodos manuales para el análisis y evaluación de algunos soportes estructurales, en especial los trunnions. 6.2.1.

Diseño de Soportes Soldados a la Tubería 1.

Todo tipo de soporte soldado a la pared de la tubería, como trunnions, clips, lugs (orejas), etc., deben ser diseñadas de tal manera que los esfuerzos flexores y de presión que se van a mostrar a continuación no superen el esfuerzo total permisible.

2.

El esfuerzo flexor, SB, en una superficie de pared cilíndrica, está determinado en función del diámetro, el espesor de pared y la carga inducida por pulgada lineal del borde de la junta. Este puede ser evaluado por la siguiente fórmula: Donde: SB = Esfuerzo flexor en la tubería, psi. f = Carga inducida por el soporte, en lb por pulgada lineal a lo largo del borde de la junta. R = Radio exterior de la pared de la tubería, pulg. t = Espesor corroído de la tubería más el espesor del refuerzo (cuando es requerido), pulg.

3.

Los esfuerzos debido a la presión, SP , en la tubería están determinados en función del tamaño de la tubería, el espesor, la presión interna y el tipo de carga a considerar. El esfuerzo longitudinal SPL puede ser evaluado por la siguiente ecuación: SPL = P D = P R 4t 2t

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(6.2.1.B)

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Donde: SPL = P= D= t=

Esfuerzo longitudinal debido a la presión, psi. Presión interna de diseño, psi. Diámetro exterior de la pared de la tubería, pulg. Espesor corroído de la pared de la tubería más el espesor del refuerzo (si aplica), pulg.

Los esfuerzos circunferenciales debido a la presión, SPC, pueden ser evaluados por la siguiente fórmula: SPL = P D = P R 2t t

(6.2.1.C)

Donde: SPC = Esfuerzo circunferencial debido a la presión, psi. 4.

El Esfuerzo Total Permisible, S, es la suma de los esfuerzos flexores y de presión permisibles. Para posibles combinaciones de carga en condiciones normales u ocasionales, es aplicable el Esfuerzo Total Permisible que se encuentra en la Tabla 6.2.1-2.

5.

Si es deseable determinar la carga máxima en la pared de la tubería y diseñar el soporte de tal manera que ésta carga no sea excedida, esta puede determinarse por medio de la siguiente ecuación: Donde: fm = Carga máxima permisible, lb/pulg. lineal. SB = Esfuerzo flexor total permisible, psi.

6.

La carga real inducida por un clip, lug, trunnion, etc. en lb/pulg. lineal, debe ser calculada como se describe del punto 7 al punto 10 y de acuerdo con la Tabla de Fórmulas 6.2.1-1.

7.

Para los soportes de tipo circular como trunnions que producen flexión en la pared de la tubería, las ecuaciones de los Diagramas 1, 2 y 3 de las Figuras

8.

Para lug y juntas con elementos estructurales que producen flexión en la pared de la tubería, las fórmulas dadas en las siguientes figuras pueden ser usadas, para el cálculo del momento lineal I.

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I =

b3 3

I = b L2

Figura 6.2.1-1 9.

La carga aplicada a la pared de la tubería y al refuerzo es lineal y no depende del tamaño de la soldadura. Cuando esté soldado un lug la configuración de la izquierda de la Figura 6.2.1-2 debe ser usada (considera una sola línea de carga). Cuando existan dos cordones de soldadura apartados a 4" o m
Figura 6.2.1-2 10.

La ecuación general para el cálculo de la carga lineal es:

f =

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(6.2.11.E)

MC I

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Donde: M = Momento en la junta soldada, lb-pulg. C = Distancia del centro de gravedad de la junta al punto m
Tipos de Carga Esfuerzo Flexor Longitudinal

Esfuerzo Flexor Circunferencial

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Fuerza Axial Directa

para el Esfuerzo

NOTAS

Cargas Sostenidas y Ocasionales

Cargas Debidas a Expansión Térmica

(1)

f1 = fL f1 = fL + 1.5 fA f1 = 1.5 fA f2 = 1.5 fC f2 = 1.5 ( fC + fA) f2 = fR1 + 1.5 fA

f1 = fL f1 = fL + 1.5 fA f1 = 1.5 fA f2 = fC f2 = fC + 1.5 fA f2 = fR2 + 1.5 fA

(2)

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Donde:

fL = Carga debido al momento flexor longitudinal, lb/pulg. lineal. fC = Carga debido al momento flexor circunferencial, lb/pulg. lineal fA = Carga debida a la fuerza directa, lb/pulg. lineal.

f

f

R1

R2

=

f 2L + (1.5 f C )2

=

f 2L + f C 2

f1 = Carga produciendo el máximo esfuerzo en la pared de la tubería en la dirección longitudinal, lb/pulg. lineal. f2 = Carga produciendo el máximo esfuerzo en la pared de la tubería en la dirección circunferencial, lb/pulg. lineal. Notas: (1) Las cargas térmicas se suman con su valor absoluto a las demás cargas. (2) La carga resultante no debe ser usada si f L ≥ 3 f C ó f C ≥ 2 f L . En este caso los esfuerzos longitudinales y circunferenciales debidos a la flexión deben calcularse por separado y se usa el mayor valor para controlar el diseño.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Tabla 6.2.1-2. Cálculo del Esfuerzo Total Permisible. (Local) POSIBLES CONDICIONES DE DISEÑO A ESTUDIAR

NORMAL (2)(3)(4) T E M P E R A T U R A

P R E S I O N

C A R G A

T E R M I C O

S O S T E

OCASIONAL (2)(3)(4) T E M P E R A T U R A

P R E S I O N

C A R G A

T E R M I C O

ESFUERZO TOTAL PERMISIBLE "S" (1)

V I E N T O

S O S T E

NORMAL OPERACIONAL OCASIONAL

2.0 Sh

TERMICA SOLAMENTE OCASIONAL CON TERMICA

1.25 Sc + 0.25 Sh 1.5 ( Sh + Sc )

PRUEBA

2.4 Sc

2.4 Sh

Notas de la Tabla 6.2.1-2: (1) El esfuerzo total permisible no debe ser mayor de 30000 psi. (2) No se refiere a la carga, sino considerar la temperatura para el cálculo de Sh (3) La carga de presión considerada interna es la presión interna. (4) "CARGA SOSTE" = Carga Sostenida.

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NOMENCLATURA:

R= r= F=

Radio Exterior de la Tubería, pulg. Radio Exterior del trunnion, pulg. Fuerza en el trunnion produciendo flexión longitudinal o circunferencial en la tubería, lb. L= El brazo del momento de la Fuerza F, pulg. t= Espesor corroído de la tubería más el espesor del refuerzo (si aplica), pulg. M= Momento, lb-pulg, Pa = Carga axial aplicada, lb. f= Carga lineal, lb/pulg. lineal. P= Presión interna, psi. L= Ancho del refuerzo = Rt , 2 pulg. mínimo. Sjunta = Esfuerzo en la junta más el esfuerzo de presión. 6.2.2.

Diseño de Trunnions Verticales 1.

Los trunnions verticales son soportes fabricados a partir de tubos, que soportan la tubería principal sobre un piso o una estructura.

2.

Los siguientes puntos se deben tomar en cuenta para el diseño de trunnions verticales: a. El diámetro del trunnion debe ser como mínimo la mitad del diámetro de la tubería principal. b. Cuando se suelda un trunnion a una tubería de pared delgada se deberá tener especial cuidado de que no exista daño en la pared de la tubería principal. c. No se deben soldar directamente trunnions de acero al carbono con tuberías de aleaciones. d. Debe estar en los documentos de fabricación, cualquier trabajo especial o

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA específico que se deba hacer en el trunnion o tubería a la hora de la instalación 3.

Los trunnions verticales no requieren placas de refuerzo.

4.

En la mayoría de los casos, los trunnions no van anclados o apernados al piso o estructuras, algunas excepciones a esta regla son: a. b.

Líneas sometidas a vibraciones o servicios pulsantes. Cuando el trunnion sea un anclaje por requerimientos del análisis de flexibilidad. Uno de los trunnions en las estaciones de control o en pequeñas bombas en línea deban estar ancladas para mantener las tuberías en su lugar. Un trunnion vertical que soporta una línea descargando a la atmósfera, como por ejemplo una línea de venteo.

c. d. 5.

El trunnion vertical puede ser diseñado según el procedimiento de la sección anterior o usando la Tabla 6.2.2-3 (se encuentra después de la Sección 6.2.2.4) con el procedimiento que se describe a continuación

6.2.2.1 Trunión Vertical en Tramo Horizontal El momento equivalente, EM, debe ser menor o igual que la "Capacidad de Momento" dada en la Tabla 6.2.2-3 (la tabla se encuentra al final de la Sección 6.2.2.4).

FIGURA 6.2.2.1-1 Donde:

CF = EM = L= P= r=

Factor de corrección que toma en cuenta la corrosión permisible y la tolerancia de fabricación. Ver Tabla 6.2.2-1 (se encuentra después de la Sección 6.2.2.4). Momento equivalente en la tubería. klb-pulg. (1000 lb-pulg). Brazo del momento desde la parte inferior del soporte o punto de aplicación de la fuerza hasta la parte inferior de la tubería, pulg. Carga total sobre el trunnion de cualquier fuente concurrente. klb (1000 lb). Radio exterior del trunnion, pulg.

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TMF = Factor de corrección de temperatura y material. Ver Tabla 6.2.2-2 (se encuentra después de la Sección 6.2.2.4). Subíndices: (Direcciones con respecto a la tubería principal) Subíndice a = En la dirección vertical a la tubería. subíndice c = En la dirección horizontal y perpendicular a la tubería. subíndice L = En la dirección horizontal y paralela a la tubería.

2

2

EM = (CF)(TMF)(1.69r( Pa ) + L ( P L ) + 5.06( Pc ) )

6.2.2.2 Trunnion Vertical Conectado a Codo

FIGURA 6.2.2.2-1

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El momento equivalente, EM, debe ser menor o igual a la "Capacidad de Momento" dada en la Tabla 6.2.2-3 (la tabla se encuentra al final de la Sección 6.2.2.4)

2

2

EM = (CF)(TMF)(1.19r( Pa ) + L ( P L ) + 5.06( Pc ) )

Donde: L = Brazo del momento desde el eje de la sección de tubería horizontal del codo hasta la parte inferior del soporte o punto de acción de la fuerza, pulg. Subíndices: (Direcciones con respecto a la tubería principal) Subíndice a = En la dirección vertical. Subíndice c = En la dirección horizontal y perpendicular al plano del codo. Subíndice L = En la dirección horizontal y paralela al plano del codo. Las demás variables han sido definidas previamente. 6.2.2.3 Trunnion vertical en "L":

Figura 6.2.2.3-1

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EM = (CF)(TMF)(1.69r( P L )+ L1 ( L2

PL 2 2 + Pa ) + 5.06( Pc ) ) L1

Donde: L1 = Brazo de momento desde el borde de la tubería al eje de la sección vertical del trunnion, pulg. L2 = Brazo de momento desde el eje central de la sección horizontal del trunnion hasta la parte inferior del soporte o punto de aplicación de la carga, pulg. subíndices: (Direcciones con respecto a la tubería principal) subíndice a = En la dirección vertical. subíndice c = En la dirección horizontal y perpendicular al plano del codo. subíndice L = En la dirección horizontal y paralela al plano del codo. 6.2.2.4 Chequeo Para el Pandeo en Trunnion El pandeo es un problema no usual en los trunnions verticales; sin embargo, éstos pueden ser chequeados rápidamente mediante el uso de la siguiente ecuación:

P =

EI L2

(6.2.2.4.A)

Donde: P = Carga Permisible vertical, lb. E = Módulo de elasticidad del material del trunnion, psi (usando la temperatura de la tubería o del ambiente, cualquiera que sea mayor). I = Momento de inercia del trunnion, pulg4. L = Largo vertical del trunnion, pulg. (para el tipo "L" L = L2) Entonces, la suma de todas las cargas verticales concurrentes para el trunnion debe ser menor que la carga calculada P en la ecuación anterior.

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Tabla 6.2.2-1. (CF) , Factor de Corrección Para la Corrosión y la Tolerancia de Fabricación TAMAÑO TUBERIA CORROSION ADMISIBLE (Pulg) (Sch. Std) 0.0 0.05 0.10 0.125 0.25 3

.63

1.0

1.95

3.20

-

4

.66

1.0

1.78

2.65

-

6

.71

1.0

1.56

2.07

-

8

.75

1.0

1.44

1.80

9.5

10

.77

1.0

1.36

1.63

7.70

12

.78

1.0

1.35

1.60

6.73

14

.78

1.0

1.35

1.60

6.73

16

.78

1.0

1.35

1.60

6.73

18

.78

1.0

1.35

1.60

6.73

20

.78

1.0

1.35

1.60

6.73

24

.78

1.0

1.35

1.60

6.73

Notas Generales de la Tabla 6.2.2-1: 1.

Se ha usado una corrosión permisible más una tolerancia de fabricación de 0.5 pulg. en la elaboración de la Tabla 6.2.2-3 con el fin de determinar la capacidad de momento de los trunnions. El factor de corrección, CF, es usado para ajustar el momento equivalente, EM. Para cualquier tubería con una corrosión diferente a las mostradas en la tabla, la siguiente ecuación puede ser usada:

CF = ç

T - 0.05 ÷ T - (CORROSION + TOLERANCIA DE FAB. )

Donde T es el espesor nominal de la tubería en pulg.

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Tabla 6.2.2-2. (TMF) Factor de Corrección Para la Temperatura y Para el Material del Trunnion. TEMPERATURA DE LA TUBERIA °F # 300

A106 - B

A335 - P11

A312 - TP304

1.00

1.11

1.00

400

1.00

1.14

1.07

500

1.06

1.16

1.15

600

1.16

1.20

1.22

700

1.21

1.28

1.25

750

1.54

1.32

1.29

800

1.85

1.33

1.32

850

2.31

1.38

1.34

900

3.25

1.56

1.37

950

4.44

1.82

1.39

1000

8.00

2.56

1.45

Notas Generales a la Tabla 6.2.2-2: 1.

En la Tabla 6.2.2-3 se listan los valores de capacidad de momento para un trunnion de material A106 Gr. B a 100 °F. El factor de corrección (TMF) es usado ajustar el valor de la capacidad de momento (EM) en la Tabla 6.2.2-3, para diferentes temperaturas en la tubería y/o material. La temperatura de la tubería puede ser usada para determinar las correspondientes cargas en el trunnion. Se puede interpolar entre temperaturas.

2.

El TMF puede ser calculado para otros materiales y otras temperaturas por medio de la siguiente ecuación:

TMF =

20000 ESFUERZO ADMISIBLE DEL CODIGO

El ESFUERZO ADMISIBLE DEL CODIGO (psi.) se calcula a la temperatura de la tubería.

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Tabla 6.2.2-3. Capacidad de Momento de Un Trunnion (klb-pulg) DIAMETRO TUBERIA 3" 4"

6" 8"

10"

SCH.

2"

40 80 160 40 80 120 160 40 80 120 20 30 40 60 80 100 20 30 40 60 80 100

5 10 13* 5 10 13* 13*

3"

4"

12 23 36* 40* 13 29 40* 10 12 15 23 33* 40* 9 13 17 29 39* 40*

22 48 75* 16 19 25 38 54 71* 14 21 28 48 64* 77*

6"

8"

35 42 55 82 117 155* 31 45 61 104 138 189*

12"

20 30 40 XS 60 80 100

13 22 31 44 54 75* 77*

28 47 68 96 116 162* 220*

14"

10 20 30 40 XS 60 80 10 20 30 40 60 80 10 20 STD 30 XS 40 60 10 20 30 40 60

13 19 26 34 42 56 77*

27 41 56 73 92 121 178* 25 38 53 86 134 200* 24 36 50 65 81 98 157*

16"

18"

20"

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10"

14"

16"

18"

101 151 208 272 339 450 658 94 141 195 317 496 742 89 133 184 239 299 363 580 84 174 284 376 625

113 170 235 382 597 894 107 160 221 289 360 437 700 101 210 342 453 753

140 209 289 377 471 571 913 132 274 447 592 984

168 347 565 750 1246

20"

52 76 104 177 235 320* 75 124 178 253 306 425 591

48 80 114 163 197 274 380* 46 69 95 124 155 206 301

71 107 148 193 241 320 468 67 100 138 225 352 527 63 95 130 170 213 258 412 60 124 202 267 444

43 64 89 145 227 340* 41 61 84 110 137 166 265 38 80 130 172 286

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12"

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Tabla 6.2.2-3. Capacidad de Momento de Un Trunnion (klb-pulg) 24"

10 20 XS 30 40

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35 73 119 144 200

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55 113 184 223 310

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77 159 259 314 436

93 192 312 379 526

121 250 408 495 687

153 317 516 626 869

189 391 637 773 1073


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Notas Generales de la Tabla 6.2.2-3: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Todos los tamaños de tuberías y de trunnions están dados para diámetros nominales de la tubería. Todos los trunnions de la tabla son schedule estándar. La Capacidad de Momentos aplica en líneas donde la corrosión permisible más la tolerancia de fabricación es de 0.05 pulg. Para líneas de 2 pulg o menos, se pueden usar abrazaderas (clamps). Los trunnions de la tabla no utilizan refuerzo. El uso de refuerzos en trunnions debe ser evitado. Usualmente esto se hace usando dos trunnions en vez de uno. Cuando el uso del refuerzo sea absolutamente necesario se debe diseñar por medio de la Sección 6.2.1. Cuando el momento equivalente, EM, se aproxima a los valores que aparecen con asterisco (*) en la tabla, el esfuerzo en el trunnion debe ser chequeado. Las capacidades de momento para tuberías con espesor de pared que no están listadas en la tabla, se pueden conseguir por medio de la siguiente ecuación:

(CAP.DEMOMENTO )NUEVO = (CAP.DEMOMENTO )TABLA

6.2.3.

(Esp.nom.-0.05 )NUEVO ç ÷ (Esp.nom.-0.05 )TABLA

3

Diseño de Trunnions Horizontales 1.

El largo para un trunnion horizontal se mide desde el eje de la tubería hasta el lugar donde el trunnion es sujetado. Largo del trunnion horizontal = R O + e + 6 pulg.

Donde: RO = Radio exterior de la tubería, pulg. e= Distancia desde la pared exterior de la tubería hasta el centro del soporte del trunnion, pulg. 2.

El diámetro del trunnion determina su capacidad de carga. La capacidad de carga se puede determinar por la Sección 6.2.1 o por gráficas. Por razones de estética, el diámetro mínimo de los trunnions para líneas de diámetros hasta 12 pulg. debe ser como mínimo la mitad del diámetro de la tubería.

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3.

La elevación del eje del trunnión es usada para dar la posición vertical del mismo.

4.

El momento equivalente, EM, debe ser menor o igual que la "Capacidad de Momento" dada en la Tabla 6.2.2-3. Donde EM es igual a:

2

2

EM = (CF)(TMF) ( P L ) L2 + 5.06( P c ) L2

Donde: L = Brazo del momento de la fuerza medido desde el exterior de la pared de la tubería principal hasta el centro del soporte del trunnion horizontal, pulg. Pc = Carga en el trunnion en la dirección circunferencial de la tubería (perpendicular al plano del trunnion y la tubería) PL = Carga sobre el trunnion en la dirección longitudinal de la tubería. 6.2.4.

Diseño de Trunnions en Líneas de Alta Temperatura Para tuberías operando a altas temperaturas, puede ocurrir una alta concentración de esfuerzos en la junta soldada alrededor del trunnion. Este alto esfuerzo local se debe a los altos gradientes de temperatura en la conexión. En lugar de hacer cálculos complicados, las Figuras 6.2.4-1/2/3 pueden ser usadas para determinar la temperatura máxima admisible de la tubería principal de tal manera que la junta soldada no falle debido a los gradientes de temperatura. Cada figura tiene dos escalas para el diámetro exterior del trunnion. Una escala es para los trunnions aislados y la otra es para los no aislados. Para un diámetro exterior y espesor del trunnion dado, se obtiene la máxima temperatura permisible en la tubería principal.

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En un trunnion no aislado, el aislante de la tubería principal solo cubre el trunnion alrededor de la junta. En un trunnion aislado, el aislante cubre enteramente el trunnion. El material y el espesor del aislante que cubre el trunnion es igual al de la tubería principal. Estos arreglos se muestran en la Figura 6.2.4-1. Se requiere una zapata para los trunnions completamente aislados. Para un trunnion aislado el aislante se puede extender hasta el plato de la base del mismo.

Figura 6.1.4-4. Trunnions No Aislado y Aislado

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA 6.3.

Soportes Colgantes Estos soportan a la tubería desde una posición por encima de esta. La mayoría permite desplazamiento vertical, lo cual los hace aptos para servicios de temperaturas moderadas. Si la tubería tiene altas temperaturas, es de servicio crítico, o transmite altas cargas a boquillas, estos soportes se instalan con resortes de carga variable o de carga constante. Las siguientes consideraciones de diseño se deben tener presentes para el uso y selección de dichos soportes: A. Los soportes colgantes deben estar capacitados de resistir las cargas generadas por el sistema de tuberías en todas sus condiciones, permitiendo una libre expansión y contracción esta, evitando una alta concentración de esfuerzos en la tubería o equipos. B. Es preferible cambiar el espaciamiento de soportes, reduciéndolo, cuando los soportes se puedan instalar en vigas estructurales existentes o del proyecto en lugar que diseñar la instalación de una estructura nueva. El costo de comprar e instalar soportes adicionales, en general es menor, al de instalar una estructura nueva. El soporte colgante de barra es el más económico y común de los métodos para transmitir las cargas de peso a las estructuras de acero. Las barras son resistentes a la tensión, pero deben evitarse para cualquier carga a comprensión. Aparte de la capacidad de la barra (ver Tabla 6.3-1), se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones iniciales cuando se diseña un soporte colgante: A. El movimiento horizontal del soporte no debe ser excesivo, una rotación a un ángulo de " 4° con respecto al eje vertical se debe usar como límite para este tipo de soporte. El soporte puede ser puesto a 4° en dirección contraria a la expansión para permitir un movimiento de este hasta de 8°. Si el movimiento es mayor se deben usar soportes deslizantes o de rodillos. (Ver Figura 6.3-1) B. Debe ser usada para líneas pequeñas (2 pulg. de diámetro y menos) una barra de 3/8 pulg. de diámetro como mínimo y barras de 1/2 pulg. para tuberías de 2.5 pulg o más. C. Los soportes de barra tienen cierto grado de ajuste debido a sus componentes roscados. D. El uso de abrazaderas en líneas horizontales puede tener limitaciones por la temperatura de la tubería o incompatibilidad con el material. El material de las abrazaderas usualmente es acero al carbono para tuberías con temperatura de operación de hasta 750 °F y aceros aleados para temperaturas de más de 750 °F. Abrazaderas de hierro maleable se pueden usar en tuberías con temperaturas hasta 450 °F.

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Tabla 6.3-1. Capacidad de Carga de Barras con Rosca Materiales: ASTM A36, A 575 Gr. 1020 o A576 Gr 1020 Diámetro nominal de Barra, pulg. 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 1 1 - 1/4 1 - 1/2 1 - 3/4 2 2 - 1/4 2 - 1/2 2 - 3/4 3 3 - 1/4 3 - 1/2 3 - 3/4 4 4 - 1/4 4 - 1/2 4 - 3/4 5

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Area de Raíz en la Zona Roscada Pulg. Cuadradas 0.068 0.126 0.202 0.302 0.419 0.552 0.889 1.293 1.744 2.292 3.021 3.716 4.619 5.621 6.720 7.918 9.214 10.608 12.100 13.690 15.379 17.165

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Capacidad Segura de Carga en libras para 650° F 610 1130 1810 2710 3770 4960 8000 11630 15690 20690 27200 33500 41600 50600 60500 71260 82890 95500 108900 123200 138400 154500

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Capacidad Segura de Carga en libras para 750 °F 450 1010 1610 2420 3360 4420 7140 10370 14000 18460 24260 29880 37066 45085 53906 63493 73855 85001 97119 109593 122958 137214


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6.4.

Soportes Tipo Resorte

6.4.1.

Resortes de Carga Variable Los soportes colgantes de barra pueden usarse donde los movimientos térmicos verticales sean mínimos. El soporte tipo resorte de carga variable puede ser el más adecuado cuando el movimiento térmico de la tubería sea moderado y existan fuerzas verticales. 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 el resorte. El conjunto viene encerrado dentro de un cilindro fabricado en lámina metálica, el cual posee dos ranuras verticales que permiten la inspección de todas las espiras del resorte (ver Figura 6.4.1-1)

FIGURA 6.4.1-1 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, dada las condiciones del medio se requiere que el resorte sea galvanizado, la placa superior del cilindro es apernada según se muestra en la Figura 6.4.1-1. En este caso el resorte estará cubierto de neopreno o materiales similares. En ambientes extremadamente corrosivos y/o de alta temperatura, pueden especificarse incluso resortes de acero inoxidable con el recubrimiento cilíndrico completamente soldado. Estos cuentan con dos pines o pasadores que tienen la función de bloquear el resorte durante el período comprendido entre la salida de la fábrica y la puesta en marcha de la línea.

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Estos resortes se les llama de carga variable, porque ejercen una fuerza de reacción variable a medida que la tubería se mueve verticalmente. Esto se debe a la elongacón y contracción del resorte. El resorte es precargado en fábrica (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 él. (Ver Figura 6.4.1-2) 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.

La carga de instalación (precarga o "carga en frío"), de un resorte de carga variable se puede calcular por la siguiente ecuación:

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CargaenFrio=CargaenCaliente+(Const. del ResortexDesplazamiento) Carga en Frío = Carga de instalación o pre-carga, lb (en unidades inglesas) Carga en Caliente = Carga total en el soporte, determinada a partir de las cargas sostenidas (peso), más los accesorios del soporte que puedan estar cargando al resorte, lb. Cons. del Resorte = La constante del resorte de carga variable, lb/pulg. 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, pulg. De esta ecuación es evidente que un resorte que esté 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 "carga en caliente". Como se mencionó previamente, es deseable establecer un límite de variabilidad de la carga del resorte entre las condiciones en frío y caliente. Si una variabilidad permisible no está definida, una buena práctica es usar un límite de " 25% como lo especifica MSSSP58. En líneas de servicio crítico 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 crítico entonces la mejor selección puede ser un resorte carga constante. La variabilidad se puede medir por medio de la siguiente ecuación:

Variabilidad =

DesplazamientoxConst. del Resorte Carga en Caliente

(6.4.1.B)

En cuanto a los valores limite de Variabilidad a ser adoptados en la práctica, 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 a 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 = " 12%.

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-

Para tuberías análogas a las mencionadas anteriormente y para tuberías secundarias, operando a temperaturas en las que no se prevé el fenómeno del selfspringing, es apropiado asumir Variabilidad = " 18%, en caso de requerirse en la línea "cold springing", y Variabilidad = "25% en caso contrario. Para esta última aplicación es aconsejable utilizar resortes de tamaño normal (ver resortes del tipo figura Grinnell B268).

-

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. En estos casos es recomendable la utilización de los resortes de la versión alargada (ver resortes del tipo figura Grinnell 98).

Los resortes se seleccionan según la configuración y usando tablas, el procedimiento se describe a continuación, ver las tabla y figuras Grinnell en el Anexo D. Selección del tipo de soporte de resorte (Figuras Grinnell): 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: 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 del Anexo (load table in pounds), dentro de su rango de trabajo. Se debe conseguir el valor en la tabla, leyendo las columnas en dirección horizontal y en dirección vertical contraria a la dirección del desplazamiento, es decir, leer las columnas horizontalmente de arriba hacia abajo, para los desplazamientos de la tubería hacia arriba y de abajo hacia arriba para los desplazamientos de la tubería hacia abajo. Esto es para dar más posibilidad a que la carga en frío se encuentre dentro del rango de trabajo del resorte y para un tamaño de resorte óptimo.

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. Cada constante corresponde a una Figura Grinnel. Se debe evaluar siguiendo el mismo sentido vertical del paso anterior y usando la Ecuación 6.4.1.A, hasta que la carga en frío esté dentro del rango de trabajo del resorte. (Se deben evitar los resortes triples y cuádruples en beneficio de las figuras 82, 286 y 98, solo se pueden utilizar cuando la variabilidad a conseguir sea un problema para los individuales).

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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, el número de la figura Grinnel es el de la constante usada para conseguir la carga en frío.

5.

Si es imposible conseguir un resorte de tal manera que ambas cargas se encuentren dentro del rango de trabajo, se debe considerar el uso de resortes con mayor rango de trabajo o usar un soporte de carga constante.

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 Ecuación 6.4.1.B), 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 6.4.1-1. En la Figura 6.4.1-2, una línea es soportada desde la estructura de acero de un pipe-rack. La carga en caliente es 5363 lb y el desplazamiento vertical hacia arriba es de 1.75". Se busca seleccionar un soporte de resorte. La línea es normal de proceso (servicio no-crítico). 1. El primer paso es buscar la carga en caliente de 5363 lb. en la tabla, en este caso se están despreciando los pesos de los accesorios del soporte, que también cargan el resorte. Como el desplazamiento es hacia arriba, las columnas se deben leer de horizontalmente y de arriba hacia abajo. El primer valor conseguido para la carga en caliente es para un soporte tamaño 16. 2. La carga en frío, para las constantes de resorte en la parte inferior de la columna de tamaño 16 y con una deflexión de 1.75", se calculará siguiendo una dirección vertical de arriba hacia abajo, dado que el desplazamiento de la tubería es hacia arriba.

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Carga en Frio = Carga en Caliente + (Const. del ResortexDesplazamiento) Carga en Frio (Fig. 82) = 5363 lb + (3000x1.75) = 10613 lb Carga en Frio (Fig. 268) = 5363 lb + (1500x1.75) = 7988 lb

La carga en frío de la fig. Grinnell 268 tamaño 16, tiene su carga en frío y en caliente dentro de su intervalo de trabajo. Sin embargo, a falta de mayor información del sistema de tubería, comprobaremos el soporte para una variación de carga en frío y carga en caliente de 25%.

Variabilidad =

DesplazamientoxConst. del Resorte (1.75x1500) = = 0.49 o 49% Carga en Caliente 5363

La variación es muy grande para la fig. 268, probaremos con la Fig. 98 que tiene una constante de resorte menor (por lo tanto el resorte el más robusto).

Variabilidad =

DesplazamientoxConst. del Resorte (1.75x750) = = 0.24 o 24% Carga en Caliente 5363

Carga en Frio (Fig. 98) = 5363 lb + (750x1.75) = 6675.5 lb

En conclusión, una figura 98, tamaño 16 es el soporte de resorte más adecuado a la línea y para el punto de aplicación de carga estudiado.

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Los datos necesarios que hay que dar al fabricante son: el Modelo, que para el caso de la Grinnell puede incluir Figura, tipo, tamaño, acabado; carga en caliente, desplazamiento vertical y dirección. Un dato importante es que algunos fabricantes pueden incluir un número de referencia en la placa que va con el resorte, este número es el tag, item o mark number que sirve para indicar la posición del soporte en los planos de las líneas. 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 con la tubería está limitado a "2 grados con respecto a la vertical. 6.4.2.

Resortes de Carga Constante Los resortes de carga constante 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 un resorte de espiras en conjunto con una palanca 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. Ver Figura 6.4.2-1. 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.

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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 mal seleccionados, pueden resultar más costosos que los resortes de carga variable que hagan el mismo trabajo y además ocupan más espacio que estos últimos.

B.

Los resortes de carga variable deben ser usados donde se verifica que la variación la carga y sus efectos no son perjudiciales al sistema de tuberías y equipos conectados.

C.

Si de un análisis preliminar sin resortes, los valores de los esfuerzos en las tuberías o reacciones en las boquillas están cercanos a los permisibles, la elección más simple, y a la larga más económica es el resorte de carga constante.

D.

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.

E.

Para las líneas no críticas, los siguientes criterios para los desplazamientos verticales pueden servir de guía: cuando los desplazamientos verticales son de 0.25 a 4 pulgadas un resorte de carga variable puede ser el más adecuado; de 4 a 6 pulgadas 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 6 pulgadas. Por otro lado, se debe evitar el uso de resorte de carga variable para desplazamientos menores de 2 mm, en cuyo caso se pueden sustituir por soportes ajustables.

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 resortes 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. Están disponibles en el Anexo D, tablas para selección de este tipo de soportes. La tabla de selección es más sencilla que la correspondiente a de los resortes de carga variable, solo hay que buscar la carga en caliente para un desplazamiento "total" en pulg., el tamaño del resorte se lee en la columna de la izquierda. El desplazamiento "total" del resorte es el desplazamiento vertical calculado o estimado en operación (desplazamiento "real") más el 20% o una pulg. (cualquiera que sea mayor), se aproxima al desplazamiento "total" superior disponible. T31GU003/25/03/02/mrp/SP

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Los datos para el fabricante son: El Modelo, que para el caso de la Grinnell 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. Un dato importante es que estos soportes deben ser inmovilizados o bloquedos durante el montaje de las líneas, para pruebas hidrostática o durante la limpieza de las líneas. 6.5.

Amortiguadores Los amortiguadores contienen mecanismos que permiten el libre movimiento de la tubería a cargas estáticas o de cargas que se varían lentamente, pero se bloquean durante la aplicación de cargas que varíen rápidamente en función del tiempo. Por lo anterior, los amortiguadores se comportarán como un soporte rígido en presencia de cargas dinámicas (terremotos, viento, descarga de válvulas de alivio, etc.) mientras que no ofrecen resistencia a fuerzas debidas al peso y las expansiones térmicas. Los amortiguadores pueden ser mecánicos o hidráulicos. Los amortiguadores hidráulicos están constituidos por un pistón y dos cámaras o reservorios llenos de un fluido viscoso. El pistón fuerza al fluido a través de un angosto pasaje entre las dos cámaras. Cuando la velocidad del pistón alcanza un valor determinado, una válvula cierra el paso del fluido que entra la cámara, a partir de este punto, la carga aplicada al amortiguador es resistida por la comprensibilidad del fluido viscoso. Los amortiguadores mecánicos operan sobre puros principio mecánicos, sin fluidos hidraúlicos. Estos ofrecen resistencia o se bloquean cuando una aceleración determinada ha sido alcanzada, por debajo de esa aceleración cualquier movimiento es permitido. Los amortiguadores son soportes costosos y requieren de inspección y mantenimiento periódico, su uso debe ser evitado. En caso de requerirse, deben consultarse expertos o fabricantes para su selección.

6.6.

Soportes Anti-vibratorios Los amortiguadores no son efectivos en cargas dinámicas de baja magnitud y de alta frecuencia. En estos casos los soportes antivibratorios pueden ser usados. Estos soportes son un poco diferentes a los soportes de resorte y en general se aplican en el plano horizontal o puede ser usados con cualquier inclinación. Cuando el soporte antivibratorio es usado, el resorte es ajustado para que no ejerza ninguna carga en la tubería cuando esté en su posición normal operación. Si la tubería se desplaza durante alguna vibración, el resorte aplicará una fuerza reestablecedora igual a la constante del resorte del soporte multiplicado por el desplazamiento de la tubería. El efecto conseguido sobre el sistema de tuberías es aumentar la constante de resorte para la ecuación dinámica de vibración en la tubería. Esto aumenta las frecuencias naturales de los modos de vibración hacia valores que reducen la respuesta del sistema a

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA las cargas dinámicas y vibraciones. Como en el caso de los soportes de resorte, estos introducen cierta carga adicional a las tuberías de alta temperatura. Es aconsejable usarlos donde la expansión térmica en la dirección del soporte sea baja. Por lo anterior, este tipo de soporte requiere un cuidadoso análisis de la naturaleza de la vibración y cargas involucradas, expertos y fabricantes pueden ayudar para su selección y uso. 7.

NORMAS Y DOCUMENTOS DE REFERENCIA Al menos que halla una norma específica del cliente que se deba usar para un proyecto, en las siguientes listas se muestran las normas y documentos de referencia que se deben usar junto con este manual. El ingeniero tiene el deber de notificar al cliente si su norma se desvía demasiado de las normas aquí referidas. Esto es para evitar que tengamos una mala interpretación de la norma del cliente o que el cliente trate de aplicar su norma en una situación que conduzca a una falla. Los datos que se supongan en las normas para equipos, tuberías y accesorios deben ser utilizados solamente cuando se carezca de los datos del fabricante. También se pueden usar cuando el fabricante o el proyecto (en sus especificaciones) refiera explícitamente a la aplicación integra de la norma como uno de los criterios en que se basa la elaboración del producto. Por otro lado, se debe consultar al fabricante cuando se usen tuberías, soportes o accesorios poco comunes que escapen del ámbito de aplicación de las normas o estándares. Las normas y documentos de referencia listados se deben usar su última edición disponible o la que la sustituya.

7.1.

Normas y Procedimientos de INELECTRA 900-GUD-290-500-301. Manual de Diseño Mecánico. 900-GUD-273-161-050. Manual de Arreglos Normalizados de Tuberías. 903-3060-T31-GUD-002. Manual de Soportes Normalizados de Tuberías. 903-3060-T09-ADM-901. Procedimiento de Diseño de Tuberías. 903-3060-T09-ADM-902. Procedimiento de Análisis de Flexibilidad. 903-3060-T05-GUD-X01. Instructivo de Codificación de Materiales. 903-3060-T05-GUD-X02. Instructivo de Especificaciones de Materiales de Tuberías. 903-3060-003. Listas de Verificación : Flexibilidad.

7.2.

Otras Normas Aplicables La siguientes listas son en general las normas, códigos y prácticas usadas en la industria moderna para el diseño de sistemas de tuberías. Se proveen aquí como las referencias de diseño que se deberán utilizar en los proyectos ejecutados por INELECTRA en su Sección de Flexibilidad.

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The ASME Boiler and Pressure Vessel Code. (ASME = American Society of Mechanical Engineers) .El código cubre una amplia variedad de normas en el Diseño y construcción de sistemas y aplicaciones, donde se debe asegurar su integridad a la presión inherente a la que se ven sometidas. Ciertas secciones del código proveen reglas para el Diseño de sistemas específicos de Tuberías. Estas secciones son: Section I. Power Boilers. Section III. Rules for Construction of Nuclear Plant Components. Section IV. Heating Boilers. Section VIII. Pressure Vessels. The ANSI/ASME B31 Piping Codes. Estos son los códigos que deben ser normalmente usados para el Diseño de sistemas de Tuberías para la industria en general. Ellos contienen los datos básicos, estándares de referencia aceptados y las fórmulas necesarias para el Diseño. También tratan los requerimientos para la fabricación, ensamblaje, erección, examen, inspección y prueba de los sistemas de Tuberías. A continuación se listan los códigos más usados: B31.1: Power Piping Code. B31.3: Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping. B31.4: Liquid Transportation Systems for Hydrocarbons, Liquid Petroleum, Gas, Anhydrous Ammonia and Alcohols. B31.5: Refrigeration Piping. B31.8: Gas Transmission and Distribution Piping Systems. B31.9: Building Services Piping. B31.11: Slurry Transportation Piping Systems. The ASME/ANSI Pressure-Integrity Standards. (ANSI = American National Standards Institute). Las normas listadas a continuación proveen los criterios de Diseño y fabricación de muchos de los componentes de tubería comúnmente usados: B16.1: B16.3: B16.4: B16.5: B16.9: B16.11: B16.15: B16.18: B16.22: B16.24: B16.28:

Cast Iron Pipe Flanges and Flanged Fittings (Class 25, 125, 250,and 800). Malleable Iron Threaded Fittings (Class 150 and 300). Cast Iron Threaded Fittings Classes 125 and 250. Pipe Flanges and Flanged Fittings (Classes 150 through 2500). Factory Made Wrought Steel Buttwelding Fittings. Forged Steel Fittings, Socket-Welding and Threaded (Class 2000 through 9000). Cast Bronze Threaded Fittings (Class 150 and 300). Cast Copper Solder Joint Pressure Fittings. Wrought Copper and Copper Alloy Solder Joint Pressure Fittings. Bronze Pipe Flanges and Flanged Fittings (Class 150 and 300). Wrougtn Steel Buttwelding Short Radius Elbows and Returns.

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B16.33: Manually Operated Metallic Gas Valves for Use in Gas Piping Systems Up to 125 psig. B16.34: Valves-Flanged, Threaded and Welding End (Classes 150 through 4500) B16.36: Orifice Flanges (Class 300, 600, 900, 1500 and 2500). B16.38: Large Metallic Valves for Gas Distribution (Manually Operated, NPS 2-1/2 to 12, 125 psig Maximun). B16.39: Malleable Iron Threaded Pipe Unions (Classes 150,250 and 300) B16.42: Ductile Iron Pipe Flanges and Flanged Fittings (Classes 150 and 300). B16.47: Large Diameter Steel Flanges. The ASME/ANSI Dimensional Standards. A continuación se listan las normas donde se muestran las dimensiones de los componentes de Tuberías más usados. B1.20.1: B16.10: B16.201: B16.211: B16.25: B36.10: B36.19:

Pipe Threads, General Purpose. Face-to-Face and End-to-End Dimensions of Valves. Ring-Joint Gasket and Pipe Flanges. Non-metalic Flat Gaskets for Pipe Flanges. Buttwelding Ends Welded and Seamles Wrought Steel Pipe. Stainless Steel Pipe.

Normas de Materiales de Fabricación de Tuberías. Los materiales de Tuberías no son seleccionados por la Sección de Flexibilidad. Sin embargo, los estándares utilizados pueden servir como consulta para la solución de problemas. Los materiales para las Tuberías deben cumplir con las especificaciones de Tuberías del proyecto. En su ausencia, la selección, datos y uso del material debe basarse en alguna asociación o instituto de normas reconocido, como lo son la ASME, ASTM o API (ASTM = American Society for Testing and Materials; API = American Petroleum Institute). Ejemplos de especificaciones de materiales para Tuberías son: ASTM A53: Welded And Seamless Steel Pipe. ASTM A106: Seamless Carbon Steel Pipe for High Temperature. API 5L: Steel Pipe. The Manufacturers Standardization Society (MSS). La MSS publica los Standard Practices (SP), que proveen las prácticas recomendadas en el Diseño de sistemas Tuberías y de soportes. Los siguientes MSS standards son aplicables a las restricciones en Tuberías: SP-58: Pipe Hangers and Supports: Materials, Design and Manufacturers. SP-69: Pipe Hangers and Supports: Selection and Applications. SP-89: Pipe Hanger and Supports: Fabrication and Installation Practices. 1

No está avalado por ANSI.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA SP-90: Guidelines on Terminology of Pipe Hangers and Supports. Expansion Joint Manufacturers Association, INC. (EJMA). El estándar de ésta asociación rige la fabricación, instalación y uso de las juntas de expansión. Welding Research Council (WRC). Los documentos técnicos preparados por este grupo son útiles para el Diseño que tenga relación con uniones por medio de soldaduras entre líneas, equipos o soportes. Bulletin 107. Local Stresses in Spherical and Cylindrical Shells due to External Loading. Bulletin 198. Secundary Stress Indices for Integral Attachments to Straight Pipe. Bulletin 297. Supplement to WRC Bulletin 107. American Institute of Steel Construction (AISC). El AISC Manual of Steel Construction de este instituto provee los requerimientos y códigos necesarios para el Diseño estructural con acero con eficiencia y seguridad, como los que se necesitan para el Diseño de soportes y puentes de Tuberías. Por lo tanto el manual de AISC se debe tener solo como una referencia de consulta adicional. The ANSI Standard A 58.1, Minimun Design Loads for Building and Other Structures. Otra denominación del estándar es: ASCE-7-88 (ASCE = American Society of Civil Engineers). Este estándar provee una valiosa guía para la evaluación de sistemas de Tuberías sometidas a cargas ocasionales como el viento y los terremotos. The Uniform Building Code (UBC). Este código es desarrollado por la International Conference of Building Officials (ICBO). Los "Building Codes" son códigos que incluyen requerimientos relacionados con la resistencia estructural y seguridad de los edificios. Sus ecuaciones para cargas ocasionales se pueden aplicar convenientemente para el diseño de tuberías. Cargas en boquillas de recipientes y equipos. Los estándares listados a continuación (junto con los boletines de la WRC) contienen la información recomendada para la evaluación de las cargas en las boquillas de recipientes y equipos: API 650. (Para tanques de almacenamiento atmosférico). API 610. (Bombas centrífugas) API 617. (Compresores centrífugos) NEMA SM 23. (Turbinas de Vapor; NEMA = National Electrical Manufacturers Association). API 661. (Enfriadores de Aire) API 560. (Para calentadores utilizando fuego directo) ANSI B73.1. (Bombas centrífugas) API 674/675. (Bombas Reciprocantes) API 618. Compresores Reciprocantes) T31GU003/25/03/02/mrp/SP

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA Normas Europeas.. Los estándares más probables para su uso o consultas son: las Deutsches Institute Fhr Normung (DIN) y el British Standards Institute (BSI) Lectura de Libros Recomendados: Paul R. Smith, Thomas J. Van Laan. Piping and Pipe Support Systems (Design and Engineering). McGraw-Hill Book Company. ITT Grinnell. Piping Design and Engineering. M. W. Kellogg. Design of Piping Systems. 8.

DATOS, DOCUMENTACION Y PROCEDIMIENTOS DE TRABAJO

8.1.

Datos Necesarios Para el Análisis Para el análisis de tuberías existe actualmente un Procedimiento de Análisis de Flexibilidad N° 903-306-T09-ADM-902 y una lista de verificación 903-3060-003 que se deben usar como la guía para la determinación de los datos necesarios para el análisis, el procedimiento de trabajo y el aseguramiento de la calidad de los mismos. La información de esta sección del manual solo sirve para complementarla y la ampliarla. Los datos necesarios para el análisis de tuberías son: 1.

Diámetro exterior de la tubería y su espesor (o diámetro nominal y Schedule).

2.

Temperatura y presión interna de flexibilidad, (o en su defecto, la temperatura y presión de diseño)

3.

Material de la tubería (De donde se puede determinar su coeficiente de expansión, módulo de elasticidad, densidad o peso, límites de operación de temperatura, etc.)

4.

Espesor y material del aislante, si aplica.

5.

Densidad \ Gravedad específica del fluido.

6.

Toxicidad del fluido.

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8.2.

7.

Cargas ocasionales, si aplican. Si la carga del viento va a ser considerada, su magnitud y dirección son datos importantes.

8.

Cualquier movimiento inicial de soportes y puntos terminales. Cualquier movimiento de soportes y puntos terminales, asentamiento de tanques, etc.

9.

Espesor de corrosión.

10.

Rating de las bridas. (según ANSI B16.5)

11.

Los pesos estándar de válvulas, bridas y cualquier accesorio conectado "en línea" que cargue a la tubería y a los soportes adyacentes. Para válvulas y accesorios no estándar, sus pesos deben ser indicados en los isométricos de flexibilidad.

12.

Los codos de radio largo siempre seran usados (R = 1.5 veces el diámetro nominal). Codos de radio corto o de cualquier otro tipo deben ser explícitamente indicados en el isométrico de flexibilidad.

13.

Cualquier información disponible de las cargas admisibles en las boquillas de los equipos y su procedimiento de evaluación. Se debe usar preferiblemente la información de los fabricantes.

14.

Referencias de las especificaciones del proyecto sobre el uso de la juntas de expansión, y otros tipos de soportes o accesorios especiales.

15.

Determinación de los tipos de ramales.

16.

Localización y tipo de soportes.

17.

Considerar las cargas durante la prueba hidrostática para el análisis del diseño y la localización de los soportes.

18.

Considerar cualquier información sobre modos de operación relevantes que puedan variar considerablemente con respecto a los datos de diseño. Por ejemplo, arreglos de equipos donde, alternadamente, unos operen y otros no, líneas que operan a bajas temperaturas pero que son purgadas con vapor, etc.

Isométricos de Flexibilidad Los isométricos de flexibilidad son desarrollados usando los planos y los isométricos de tuberías como referencia. Estos isométricos sirven como modelo para el trabajo del análisis de los esfuerzos y debe mostrar toda la información relevante, los mismos son especialmente útiles para ordenar toda la información que va ha ser analizada en computadora. La siguiente información debe ser incluida en un isométrico de flexibilidad:

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8.3.

1.

Debe ser mostrado un sistema de coordenadas globales con las direcciones positivas y angulares para un sistema de coordenadas X,Y,Z. Como preferencias el eje "Y" debe ser el eje de la vertical de la tubería y su sentido positivo hacia arriba (dirección contraria a la gravedad). El eje "X" podría ser orientado hacia el norte de planta, pero siempre y cuando coincida con las direcciones axiales principales de la tubería para facilitar la entrada de datos al programa de computadora.

2.

Los puntos de interés en la tubería deben ser seleccionados como nodos asignándole números, como los puntos donde se estimen altos esfuerzos o deflexiones. Los puntos de altos esfuerzos y deflexiones pueden ser estimados por la revisión de las cargas sobre las tuberías entre soportes y las condiciones de los puntos terminales del sistema. Se deben localizar nodos adicionales en puntos de cargas concentradas (por ejemplo: válvulas) en los soportes, en puntos de transición en los parámetros de diseño y en los puntos geométricos de intersección. Cuando se hace análisis dinámico, puede ser necesario adicionar puntos de nodo que sirvan como puntos de masa para el modelo dinámico. Cada nodo debe ser numerado siguiendo, en lo posible, el recorrido de la tubería. Múltiplos de 5 o de 10 son recomendables porque pueden adicionarse (posteriormente) nodos intermedios en caso de ser necesario. También puede utilizarse series de números para facilitar la identificación y la revisión del análisis por computadora, por ejemplo nodos de serie 8000 (8000, 8005, 8010, etc) pueden ser usados en una tubería de 8" de diámetro.

3.

Deben representarse claramente la localización, la función y las líneas de acción de los soportes.

4.

Se debe mostrar la distancia entre nodos consecutivos, descompuesta en cada componente según los ejes del sistema de coordenadas.

5.

Los parámetros de diseño como: Tamaño de la tubería, peso, temperatura y presión, peso de válvulas, rigidez del soporte, coeficiente de fricción usado para soportes deslizantes, esfuerzos admisibles de boquillas, movimientos de puntos de soporte o terminales etc. deben ser mostrados en el isométrico mismo o en documentos anexos a este.

Recomendaciones Finales Para la localización inicial de soportes leer la Sección 4.2.1. Para el diseño y selección de soportes leer la introducción de la Sección 6. La siguiente información es un compendio de consideraciones de diseño para el análisis de flexibilidad propiamente dicho: 1.

Los movimientos de la conexión del ramal con la tubería del cabezal debe estar limitado a la flexibilidad del ramal para absorber el movimiento del cabezal.

2.

Los efectos de carga del ramal sobre el cabezal pueden ser despreciados si el

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA ramal es menor que la mitad del diámetro del cabezal, pero el ramal debe ser analizado por separado y el movimiento en el punto de desacople debe ser incluido como un movimiento inicial. 3. Tener siempre presente los largos mínimos de tubería para absorber las expansiones de las secciones de tubería perpendiculares a esta. Por ejemplo, una guía no debe ser localizada cerca de un cambio de dirección, al menos que se pretenda direccionar la expansión de esa tubería a secciones más flexibles del sistema. 4.

Ningún crédito se le debe dar al "Cold Spring" para la reducción de los esfuerzos en las tuberías

5.

Se debe evitar conectar dos boquillas de equipos por medio de una sola tubería de sección recta. La configuración de la tubería y los soportes deben promover la liberación de la aplicación de las cargas en las boquillas de los equipos. El aseguramiento de que estas cargas estén por debajo de los admisibles de las boquillas es de fundamental importancia.

6.

La configuración de la tubería debe ser el primer recurso en el objetivo de conseguir la suficiente flexibilidad en la tubería. La configuración preferible entre dos anclajes en un mismo plano es dos secciones de tuberías unidas en forma de "L" por medio de un codo. La configuración de tuberías entre dos anclajes en planos horizontales diferentes debe consistir en secciones de tubería unidas en forma de "L". Si no se alcanza la suficientes flexibilidad con lo anterior, se pueden usar los lazos expansión y como último recurso las juntas de expansión.

7.

Las guías y los anclajes pueden ser herramientas útiles para distribución de los desplazamientos y los esfuerzos térmicos en los sistemas de tuberías. En una tubería cuyos desplazamientos axiales sean excesivos en una misma dirección se le puede adicionar un anclaje en un punto intermedio para distribuir el desplazamiento en dos direcciones. Se pueden usar guías en una línea cuando se quiera dirigir sus desplazamientos hacia secciones más flexibles del sistema de tubería, además de liberar de cargas a la boquilla o anclajes conectados a esta línea.

8.

Líneas o equipos que son by-pass de líneas principales pueden estar fríos mientras que las líneas principales están calientes, los esfuerzos generados pueden ser grandes y se deben ser considerar en el análisis. La misma consideración se debe tener para los modos de operación de equipos interconectados.

9.

Una vez que se haya hecho el análisis en una tubería, cualquier cambio de configuración o soportes hechas en campo debe ser estudiado y reanalizado de ser necesario.

10.

No se deben concentrar los soportes fijos o stops de varias tuberías sobre un solo durmiente o estructura equivalente, por las grandes cargas que esto origina sobre la estructura de soporte.

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8.4.

Procedimientos de Trabajo

8.4.1.

Procedimiento de Análisis de Flexibilidad El Procedimiento de Análisis de Flexibilidad está contenido en el Documento N° 903306-T09-ADM-902.

8.4.1.1 Numeración de los Cálculos Cada cálculo se deberá numerar de la siguiente manera: X AAAA Donde: X C: M:

=

AAAA =

Tipo de cálculo Computadora. Manual. Número de la línea.

Por ejemplo, C3052 significa que es el cálculo de la línea 24"-HS-3052 y está hecho por computadora. Cuando el análisis sea hecho por computadora el nombre del archivo deberá corresponder al número de cálculo. En caso de ser necesario hacer cálculos por separado para una misma línea, se coloca adicionalmente una letra como sufijo, por ejemplo C3052A, C3052B, etc. 8.4.1.2 Control de los Cálculos Para el control de los cálculos realizados se deberá colocar el número del cálculo a cada línea involucrada en el mismo, en un campo de la lista de líneas creado para tal fin:

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AREA : 01 N° CALCULO

N° LINEA

N° EQUIPO

C3052 C5031

24"-HS-3052 16"-LS-5031

KT-301 T-302

ANALISTA FECHA VG/28.4.92 HS/30.4.92

REVISO FECHA ET/4.5.92 JC/7.5.92

El responsable de cada área deberá actualizar en la lista de líneas los números de los cálculos asociados. De igual forma se deberá chequear que todas las líneas han sido analizadas de acuerdo a lo establecido en la Sección 3 de este manual. 8.4.1.3 Organización de los Archivos Introducción La organización de los archivos deben tomar en cuenta las especificaciones de los proyectos referentes a la documentación y su organización. También se debe asegurar el cumplimiento de los requisitos de calidad que tenga el proyecto en ejecución o Inelectra en particular. Las siguientes instrucciones se deben tener solamente como una guía para la organización de los archivos. 8.4.1.3.1

Torres, tanques e intercambiadores de calor La información recibida por la disciplina de equipos mecánicos deberá ser archivada, colocando cada equipo en su carpeta. Esta carpeta deberá incluir, además de la información recibida , los cálculos hechos por flexibilidad, tales como desplazamientos, fuerzas y momentos admisibles. También se incluirán aquí los requerimientos de brackets, placas de distribución, etc., que se le envían a la disciplina de equipos. Se deberán calcular el desplazamiento de todas las boquillas de cada recipiente de una vez y guardar esta información en la carpeta del equipo. Esto evita que cada vez que se va a realizar el análisis de una línea conectada al equipo, se realice todo el cálculo de gradiente de temperatura, expansión de la falda, etc.

8.4.1.3.2

Equipos rotativos La información recibida de cada equipo (bomba, compresor, turbina, etc.) deberá tener su propia carpeta. Allí debe estar la tabla de fuerzas y momentos admisibles emitido por el fabricante del equipo. También los cálculos de desplazamiento de boquillas (si aplica) se archivarán en la misma carpeta.

8.4.1.3.3

Planos civiles

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La disciplina civil deberá enviar la información referente a pipe-rack, plataformas, fundaciones de soportes, lo cual debe cumplir con los requerimientos hechos por el grupo de tuberías. Toda esta información deberá ser archivada, organizándola por áreas y/o equipos. 8.4.1.3.4

Información de instrumentación Para el análisis de flexibilidad la disciplina de instrumentación debe enviar la siguiente información: 1.- Peso y dimensiones de las válvulas de control. 2.- Dimensiones y características de las válvulas de alivio. También esta información debe ser correctamente archivada.

8.4.1.4 Flujo de Información con otras Disciplinas Ver el procedimiento N° 903-306-T09-ADM-902. 8.4.1.5 Control de Calidad para Análisis de Flexibilidad Ver el procedimiento N° 903-306-T09-ADM-902. Cada uno de los cálculos realizados deberán ser chequeados por una persona distinta a la que los hizo. Para esto, se debe tomar en cuenta las listas de verificación contenida en los anexos de este manual. Este chequeo abarcará los siguientes aspectos: -

Datos de entrada: Temperatura, presión, material de la tubería, espesor, ruteo definitivo, desplazamiento de las boquillas, pesos de las válvulas y bridas, soportería, etc.

-

Haber cubierto los posibles modos de operación del sistema estudiado.

-

Cumplimiento de los esfuerzos admisibles en tuberías.

-

Verificación de cargas en boquillas de torres, tanques, recipientes, intercambiadores de calor, etc., según los criterios establecidos en este manual.

-

Chequeo de cargas de boquillas en equipos rotativos. Verificar que se cumpla con la norma que aplique en cada caso y/o con lo establecido por el fabricante.

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8.4.2.

-

Correcto dimensionamiento de los resortes. Que se hayan tomado en cuenta todos los pesos de válvulas, bridas, etc.

-

Diseño de las juntas de expansión.

-

Constructibilidad, espacio físico existente para colocar el tipo de soporte requerido, etc.

Etapa de Soportería Esta se comienza en una etapa más avanzada del proyecto. Se trata de indicar específicamente sobre planos de planta y/o isometrías el soporte a utilizar, chequeando que la estructura, la fundación, clips, etc. hayan sido diseñados, así como también que el ruteo de la línea no haya sufrido cambios con respecto al análisis de flexibilidad que se realizó.

8.4.2.1 Documentos de Soportes Inelectra cuenta con un completo estándar de soportes que se deberá utilizar siempre que sea posible en los proyectos ("Manual de Soportes Normalizados" Doc #. 9033060-T31-GUD-002). En cada proyecto hay que emitir un documento que incluya con detalle, todos y cada uno de los soportes a utilizar. Aquí se usarán al máximo los soportes estándar antes mencionados, así como planos y/o esquemas de los soportes especiales. Este es un documento que se irá completando a medida que avanza el proyecto y que deberá incluir también las hojas de datos de los resortes. 8.4.2.2 Soportes sobre Planos de Planta En los planos de planta de tuberías se indicarán todos aquellos soportes que tengan que ser instalados en el sitio de la obra. Aquí se deberán hacer aclaratorias, como por ejemplo indicar elevaciones, hacer esquemas que permitan el claro entendimiento de la información. En el caso de las líneas que requieran análisis de flexibilidad, se deben colocar los tipos de soportes que indique el cálculo, así como estar seguro de que se han consultado los cálculos de flexibilidad realizados. Se debe indicar la soportería a todas las líneas con diámetro mayor a 2". Las líneas menores o iguales a 2" serán soportadas en campo, sin embargo el diseño debe prever su soportería.

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La nomenclatura utilizada deberá ser la indicada en el estándar de soportes de Inelectra. Los soportes en los límites de plano se colocarán en los bordes Norte y Este, para evitar que se repitan soportes en dos planos diferentes. Sólo se repetirán los cálculos de flexibilidad cuando el cambio de ruteo sea considerable y/o de soportes. Se deberá consultar al líder de la disciplina acerca de cualquier cambio y/o nuevo cálculo en esta etapa del proyecto. Aquí se deberá verificar con especial cuidado que las otras disciplinas hayan cumplido con los requerimientos de soportes hechos anteriormente, como estructuras civiles, fundaciones, clips, brackets, elevaciones, orientaciones, placas, vigas, etc. 8.4.2.3 Soportes sobre Isometrías En las isometrías se indicarán solo los soportes tipo trunnion, con el fin de que sean fabricados en taller. El trunnion deberá ser dibujado en la isometría en la posición y orientación que se requiere y la información debe ser completa indicando posición exacta, elevación del center-line o altura según aplique, diámetro, etc. Es importante destacar en la isometría el uso de refuerzos cuando se requiera. 8.4.2.4 Resortes En la etapa de soportería se debe tener especial cuidado con la numeración y especificación de los resortes. Cada resorte tendrá su propio y único número que lo identifique. Este número será indicado en el formato de resortes y deberá ser el mismo en el plano de planta. El formato a ser utilizado se encuentra en el estándar de soportes de Inelectra (Ver soportes RC y RP). 8.4.2.5 Control de Calidad en Soportería Ver el procedimiento N° 903-306-T09-ADM-902. Una vez concluida la soportería de cada una de las áreas, ésta será chequeada por una persona distinta a la que la realizó. Se chequearán los siguientes aspectos:

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8.4.3.

-

Verificar que se hayan colocado los requerimientos de la corrida de flexibilidad, si aplica.

-

Chequear con los planos civiles las estructuras y fundaciones necesarias, elevación, ubicación, etc.

-

Chequear en los planos de los equipos la ubicación y orientación de los clips.

-

Todas las líneas de diámetro mayor a 2" deben tener los soportes indicados en el plano.

-

Las líneas menores de 2" deben ser soportables (su soportería se hará en campo).

-

Cargas y tipos de resortes tanto en el formato, como el número y tipo en el plano.

-

Requerimiento de trunnions en la isometría. Información completa de elevación, orientación, longitud, diámetro, etc.

Cómputo de Materiales para Soportes En etapas tempranas del proyecto se definirá el alcance de suministro de materiales para soporte por parte del contratista. El control de los materiales de soportería es responsabilidad del grupo de flexibilidad y se habrá utilizando el programa SCS (Sistema de Control de Soportes). Para el manejo del SCS, existe un Manual del Usuario emitido por el departamento de informática. (Ver Sección 9.1). Por otra parte, se dispone de un programa desarrollado en el Departamento de Diseño Mecánico, por medio del cual se indican los soportes electrónicamente en el plano (AUTOCAD) y se transfiere la información al SCS (Ver Sección 9.1)

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PROGRAMAS DE LA SECCCION DE FLEXIBILIDAD

9.1.

Uso del S.C.S.

9.1.1.

Ubicación del SCS en la Red Para un Proyecto a-

9.1.2.

El SCS correspondiente al estándar de soportes se encuentra actualmente en el servidor INE_CAD1 (Ingeniería) en la siguiente ruta: F:\Share\SCS\PRO903; para cada proyecto se debe crear el subdirectorio F:\Share\SCS\PROXXX, donde XXX corresponde al número que define al proyecto. Se grabarán en el nuevo subdirectorio los archivos *.dbf y el SCS.exe que se encuentran en F:\Share\SCS\PRO903, quedando de esta manera definido el SCS para el proyecto en cuestión.

Requerimientos de Funcionamiento Para la Interfase AutoCAD-SCS a-

Los atributos pertenecientes a los formatos de los planos de cada proyecto, específicamente aquellos que identifican al plano, deben compararse con los que contiene el prototipo ACAD_SCS.TXT, ya que en caso contrario éste no funcionará correctamente. (Nota: Estos atributos pueden variar de un proyecto a otro, pero se recomienda mantenerlos constantes con el objeto de ahorrar tiempo debido a las modificaciones que se tendrían que hacer al programa).

b-

Es recomendable que cada plano de planta tenga una sola página.

c-

Se creará un archivo de Auto-Cad nuevo (new) con el siguiente nombre: S#*XXX?? Donde: S= #= *= XXX = ?? = c.1c.2c.3-

Soportería. Area. Actividad. Consecutivo del plano. Nro. de página (en el caso de que aplique)

Se referencia el archivo de diseño respectivo XREF: T#*XXX??, donde T corresponde al archivo de tuberías. Se crea el layer SPO y se coloca en su forma actual (current). Finalmente se insertan los soportes (las rejillas) siguiendo "Instructivo Para Exportar Códigos de Soportes Desde AUTOCAD Hasta el S.C.S" (ver Anexo G).

d-

Los archivos *.TXT generados a través del Auto-CAD se deben encontrar dentro del directorio del S.C.S del proyecto seleccionado; esto con el objetivo de evitar inconvenientes al correr el programa.

e-

Cuando se inserten las rejillas dentro de un plano, el factor de escala de las

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA mismas debe ser el del plano, obteniendo así rejillas normalizadas de 20 mm x 5 mm. Por ejemplo, si el plano se encuentra en escala 1:33-1/3, el factor de escala que se debe introducir a la rejilla es de 100/3 (33.3333). f-

9.2.

Para modificar el mend ACAD_SCS.mnu cuando se reubiquen los archivos asociados a la interfase ACAD_SCS se debe contactar con la Sección de SDAI (Sección de Soporte de Diseño Automatizado Para Ingeniería) que es la encargada de la realización del proceso. Sin embargo, en caso de que la persona tenga suficientes conocimientos de Auto_CAD, el procedimiento se explica en el Anexo G.

Programa Basado en la Norma API 650 Este programa ha sido diseñado para verificar las solicitaciones en las boquillas de un tanque atmosférico y así cumplir con esta norma (Apéndice P). El sistema pide al usuario ciertas variables geométricas de la boquilla y del propio tanque, y posteriormente necesita los valores de las fuerzas y los momentos a los que está sometida dicha boquilla. Estos valores deben obtenerse de algún método de análisis de flexibilidad. Luego, el programa se ocupa del cálculo de la deflexión radial y de la rotación en el plano vertical, al igual de la fuerza radial y de los momentos circunferenciales y longitudinales máximos o los que puede estar sometida la boquilla según la norma. El sistema también permite verificar gráficamente que la boquilla no falle, haciendo uso de los nomogramas. Finalmente se presenta la opción REPORTE que permite imprimir los resultados obtenidos. En el Anexo G se presenta el manual del usuario de este sistema de verificación de boquillas en tanques.

9.3.

Módulos de Cálculos de Tuberías El objetivo de este programa es agilizar los cálculos en el diseño de sistema de tuberías. La versión está formada por tres módulos de cálculo. El primero de ellos se basa en el cálculo de espesores de tuberías aplicando la norma ANSI/ASME B31.3, permitiendo generara listas de espesores para diferentes diámetros según las condiciones de operación. El segundo módulo permite verificar la conexiones en ramales según la norma ANSI/ASME B31.3, calculando el refuerzo de la conexión de ser necesario. El último módulo permite obtener los esfuerzos locales de las boquillas soldadas a equipos, y de los soportes soldados a tuberías (con ciertos criterios). El método de cálculo utilizado es el del boletín WCR-107. En el Anexo G se explica la forma de instalación del programa y el manejo de cada módulo con sus limitaciones.

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ANEXOS

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA ANEXO A: DATOS DE LAS TUBERIAS Contenido: -

Datos Varios de las Tuberías. Pesos y Propiedades Mecánicas

-

Tabla A-1. Esfuerzos Permisibles. (Extracto del Standard ANSI/ASME B31.3. Edición 1993)

-

Tabla C-1. Coeficientes de Expansión Térmica Para Metales. (Extracto del Standard ANSI/ASME B31.3. Edición 1993)

-

Tabla 2.2.2-1. Factor de Reducción de Rango de Esfuerzos " f "

-

Tabla C-6. Módulo de Elasticidad Para los Metales. (Extracto del Standard ANSI/ASME B31.3. Edición 1993)

-

Apéndice D. Factores de Intensificación de Esfuerzos y de Flexibilidad. (Standard ANSI/ASME B31.3. Edición 1993)

-

Gráficas y Tablas de la ITT GRINNELL Para el Diseño de Lazos de Expansión.

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TABLA 2.2.2.1-1 f : FACTOR DE REDUCCION DE RANGO DE ESFUERZOS NUMERO DE CICLOS FACTOR f 7,000 o menos 1.0 Más de 7,000 a 14,000 0.9 Más de 14,000 a 22,000 0.8 Más de 22,000 a 45,000 0.7 Más de 45,000 a 100,000 0.6 Más de 100,000 a 200,000 0.5 Más de 200,000 a 700,000 0.4 Más de 700,000 a 2,000,000 0.3

Fuente: Tabla 302.3.5. ANSI/ASME B31.3 (1993)

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ANEXO B: COEFICIENTES DE EXPOSICION Kz Y DE RAFAGA Gh. (Norma ANSI A 58.1)

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA ANEXO C: FORMULAS Y DIAGRAMAS DE VIGA Nota:

Las fórmulas y diagramas de viga pueden ser convenientemente usadas en los cálculos manuales para la determinación de los esfuerzos y deflexiones en la tubería, y las cargas en los soportes o anclajes en el caso de cargas sustentadas y para las cargas ocasionales cuando se modelan usando su equivalente estático. También son de gran ayuda para el diseño de soportes estructurales y evaluación de estructuras de acero.

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA ANEXO D: INFORMACION SOBRE SOPORTES ESPECIALES TABLAS DE SELECCION Contenido: -

Soporte de Resorte de Fuerza Variable: "load table in pounds". Tabla de Selección de Soportes Soporte de Resorte de Fuerza Constante. Tabla de Selección de Soportes Amortiguadores Soportes Antivibratorios

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MANUAL DE FLEXIBILIDAD Y SOPORTERIA ANEXO E: COMPENDIO DE NORMAS PARA LA EVALUACION DE LAS CARGAS EN LAS BOQUILLAS DE LOS EQUIPOS Contenido: -

Standard API 560 (Edición Septiembre 1995) Standard API 610 (Edición Agosto 1995) Standard API 617 (Edición Febrero 1995) Standard API 618 (Edición Junio 1995) Standard API 650 (Edición Julio 1993, Addendum Diciembre 1994) Standard API 661 (Edición Abril 1992) Standard API 674 (Edición Junio 1995) Standard API 675 (Edición Octubre 1994) Standard NEMA SM-23 (Edición 1991)

Nota Importante: Solo para referencia. Se debe utilizar la norma aprobada para su uso en el proyecto o en la última edición. Los extractos de las normas de este anexo se actualizarán con regularidad, se espera que las aquí contenidas sean las actualizadas para el momento de su aplicación.

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ANEXO F:. LISTA DE VERIFICACION Y FORMATOS DE FLEXIBILIDAD

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ANEXO G: INSTRUCTIVOS DE PROGRAMAS

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MODULOS DE CALCULO DE TUBERÍAS

MANUAL DEL USUARIO

Realizado por: Mario Leone Tutor: Ing. Mario Occhipinti

Inelectra, Agosto de 1996

El objetivo de este programa es agilizar los cálculos en el diseño de sistemas de tuberías. Esta primera versión está formada por tres módulos de cálculo. El primer módulo se basa en el cálculo de espesores de tuberías aplicando la norma ANSI/ ASME B31.3, permitiendo generar listas de espesores para diferentes diámetros según las condiciones de operación. El segundo módulo permite verificar las conexiones en ramales según la norma ANSI/ASME B31.3, calculando el refuerzo de la conexión en caso de ser necesario. El tercer módulo permite obtener los esfuerzos locales de elementos soldados a tuberías, su uso principal es para soportes soldados a la tubería. El método de cálculo utilizado es el del boletín WRC -107. Al activar el icono de módulos de cálculo de tuberías se presenta la pantalla de la figura # 1, donde se muestran los módulos anteriormente especificados. Figura # 1

En las siguientes secciones se explica la forma de instalación programa y el manejo de cada módulo con sus limitantes.

I.

INSTALACION DEL PROGRAMA

-

Requerimientos de Hardware:

-

Computador con procesador 386 y superiores. Espacio en disco: 2.2 Mega bytes

-

Requerimientos de Software:

-

Windows 3.1

-

Discos de instalación: dos discos.

Para la instalación del programa sitúese en administrador de -archivos (o File Manager)de Windows, introduzca el disco # 1 y ejecute el archivo instalar.exe. El programa trae como opción base realizar la instalación en C:\MODCAL T en el grupo de programas Módulo de Cálculo de Tuberías. El usuario tiene la opción de cambiar el modo de la instalación. En caso de que el Windows instalado en la máquina sea la versión en inglés, el programa de instalación realizará dos preguntas adicionales. La primera pregunta se refiere a la sobrescritura de un archivo en inglés, la cual debe contestar 'No'; la segunda pregunta es si desea conservar los archivos del otro idioma, la cual debe contestar 'Si'. Al terminar la instalación se presenta el icono del programa con su grupo de programa, como el que se muestra en la Figura # 2. Figura # 2.

II.

MANEJO DE LA BARRA DE MENÚ

La barra de menú de cada uno de los módulos es muy similar. A continuación se explica cada una de las opciones: -

Nuevo: al utilizar esta opción se refrescan todas las variables colocándolas en su valor inicial. En caso de tener un archivo abierto o haber modificado el original, tiene la posibilidad de guardar los cambios antes de ejecutar el comando Nuevo.

-

Abrir: Permite mostrar todos los archivos presentes en el disco. Cada módulo genera archivos con una extensión específica, por lo tanto, solo permitirán abrir archivos que tengan la extensión adecuada y que realmente existan.

-

Guardar: Permite guardar un archivo nuevo o ya existente. En caso de ser un archivo nuevo se presenta una ventana de dialogo que permite colocar un nombre al archivo, dicho nombre puede ser de un archivo ya existente, donde se sobrescribiría en el archivo. Cada módulo posee una extensión específica, el módulo # 1 genera archivos con extensiones “mo1”, el módulo #2 genera archivos con extensiones "mo2", el módulo #3 genera archivos con extensiones "mo3". Cada módulo genera bases de datos totalmente distintas, por lo cual, si se cambia externamente una extensión a un archivo para poderlo abrir en otro módulo se generará un error general en el programa, produciendo una falla en el sistema.

Todas las bases de datos pueden ser abiertas por medio de una hoja de cálculo (Lotus, Excel,..). Advertencia: una vez abierta la base de "datos en una hoja de cálculo, renombre el archivo para no modificar la base de datos original (si se modifica la base de datos original se puede crear un error al abrir el archivo en el programa). -

Guardar como: es similar al comando Guardar.Con este comando se abre la caja de dialogo que permite asignarle el nombre a un archivo.

-

Salir: Permite salir del módulo actual. En caso de haber modificado los datos de un archivo, se preguntarán antes de salir si desea modificar los cambios realizados.

-

Reporte: permite generar una salida impresa de los cálculos realizados. Para todos los módulos es necesario realizar los cálculos pertinentes para poder obtener el reporte. En el módulo # 1 la opción de generar el reporte se muestra una vez realizado el cálculo de los espesores. En el módulo #3 la hoja de cálculo se imprime aparte al reporte.

-

Ayuda: el contenido de la ayuda varía de acuerdo al módulo, en cada una se presenta información tanto escrita como gráfica de los datos y resultados obtenidos.

III.-Módulo #1: Cálculo de Espesores de Tuberías según ANSI/ASME B31.3 –1993 Este módulo permite generar una lista de los espesores de tuberías para unas condiciones de operación. El método de cálculo se basa en la norma ANSI/ASME B31.3 -1993 (sección 304.l. El espesor calculado resulta de la suma de los espesores por presión, más el espesor por corrosión y la tolerancia de fabricación Ec = Ep -Ecr + Etf Donde: Ec = Ep= Ecr = Etf =

(1)

espesor calculado o mínimo. espesor por presión. espesor por corrosión. espesor por tolerancia de fabricación.

Una vez ejecutado el botón de módulo # 3, se presenta la siguiente pantalla: Figura # 3

Datos a insertar en la pantalla (figura #3) -

Cliente: empresa para la cual se realiza el trabajo. Línea: especifica el número de la línea a realizar el reporte. Clase: corresponde a la especificación de la línea.

Condiciones de operación: - Presión representa la presión de operación de la tubería, la presión a introducir debe ser relativa. El menú emergente al lado de la casilla de la presión permite modificar la unidad por defecto ('psig'). - Temperatura. Representa la temperatura de operación de la tubería. El menú emergente al lado de la casilla de temperatura permite modificar la unidad por defecto ('°F'). - Espesor por corrosión este valor depende del fluido de trabajo y es colocado por el usuario. El menú emergente al lado de la casilla de espesor por corrosión permite modificar la unidad por defecto ('plg'.). - Tolerancia de Fabricación: representa el porcentaje de espesor de la tubería que se descuenta debido a los procesos de fabricación, viene dado en porcentaje. - Especificación del material: presenta un menú emergente con una lista de materiales de la Tabla A-l, Apéndice A de la norma ASME B31.3. Una vez elegido el material, se reporta el esfuerzo admisible en 'psi', El valor del esfuerzo admisible está relacionado con la temperatura, si se realiza un cambio en la temperatura automáticamente se reporta el nuevo esfuerzo admisible del material elegido. Al final de la lista del menú emergente se presenta la opción 'Otro', que permite introducir la resistencia del material por medio de una ventana emergente. - Factor de Calidad (E): presenta un menú emergente con una lista de los factores de calidad según el tipo de unión, los datos se basan en la Tabla A-IB, Apéndice A de la norma ASME B31.3. Una vez elegida la opción se reporta el valor de 'E'. Al final de la lista del menú emergente se muestra la opción 'Otro' que permite colocar el factor de calidad por medio de una ventana emergente. - Clasificación de Materiales Metálicos: presenta un menú emergente con una lista de los materiales, basados en la Tabla 304.1.1 de la norma ASME B31.3. Una vez elegido el material se reporta el valor del coeficiente 'Y' en función de la temperatura. Si la temperatura es cambiada, el valor del coeficiente 'Y' se actualiza automáticamente. Asegúrese de elegir correctamente el tipo de material. - Diámetro Inicial y Final: por medio de esta opción se especifica el diámetro normalizado donde comienza y termina el cálculo de los espesores. Si solo se requiere un diámetro específico el diámetro inicial y final deben ser iguales.

Ejecutar el cálculo de espesores Para realizar el cálculo de los espesores se presiona el botón Calcular Espesores, si los datos introducidos son correctos se procede a mostrar él repone de los espesores. En caso que los datos no cumplan los requerimientos se presenta un mensaje de error indicando el motivo. Reporte previo de los resultados Una vez aceptados los datos introducidos se muestra una presentación preliminar del reporte con los resultados obtenidos, Como se muestra en la figura # 4. El reporte posee un encabezado donde presenta todos los datos del sistema y una tabla con los espesores calculados. La tabla con los espesores calculados posee seis columnas, con los siguientes encabezados: - Diámetros: muestra los diámetros normalizados entre los límites elegidos. - Schedule A: en esta columna se reporta el schedule por número según la norma B36.10 para tuberías de acero al carbono. - Schedule B: esta columna presenta la designación del espesor de pared nominal para tuberías de acero al carbono según la norma B36.10. Esta designación se clasifica en Standard (STD), ExtraStrong (XS), y Double Extra-Strong (XXS). - Schedule C: esta columna reporta el número de schedule para tuberías de acero inoxidable según la norma B36.19. Para tuberías donde el material es acero al carbono solo se utilizaran las columnas de Schedule A y B, y para tuberías de acero inoxidable solo se utiliza la columna de Schedule - Espesor mínimo: es la suma de los espesores por presión, más el espesor por corrosión y el espesor por la tolerancia de fabricación ( ver ecuación 1 ). Este espesor es comparado directamente con el espesor nominal de la tubería para los diferentes schedule. - Espesor nominal: representa el espesor nominal para el schedule seleccionado.

Figura # 4.

Una vez observados 1os resultados se presiona el botón Aceptar para salir del reporte, seguido se presenta la ventana de impresión, donde se puede optar a imprimir el reporte. En la página siguiente se muestra un ejemplo del reporte.

CLIENTE: INELECTRA

# LINEA: INE-1254

CONDICIONES DE DISEÑO: PRESION: 285.000 psi TOLERANCIA DE FABRICACIÓN: ESPECIFICACIÓN DEL MATERIAL:

CLASS: 1A1B

TEMPERTURA:

12.50 %

600.00 °F

ESPESOR POR CORROSION:

Carbon Steel A 53 B

RESIST. =

17300.00 psi

FACTOR DE CALIDAD:

C.S. A Type S, Seamless pipe

CLASIFICACION DE MATERIALES METALICOS:

Otros Metales Dúctiles

DIAMETRO

SCHEDULE A

SCHEDULE B

1- ¼ 1- ½ 2 2–½ 3 3–½ 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

40 40 40 40 40 40 40 40 40 20 20 20 10 10 10 20 20 20 10

STD STD STD STD STD STD STD STD STD

STD STD STD STD STD

SCHEDULE C

0.0600 plg.

E = 1.00 COEFT. (Y) = 0.40

ESPESOR MINIMO 0.08400 0.08600 0.091.00 0.09500 0.10100 0.10600 0.11100 0.12100 0.13100 0.14900 0.16900 0.18800 0.20000 0.21800 0.23700 0.25600 0.27400 0.29300 0.31200 0.33000 0.34900

ESPESOR NOMINAL 0.14000 0.14500 0.15400 0.20300 0.21600 0.22600 0.23700 0.25800 0.28000 0.25000 0.25000 0.25000 0.25000 0.25000 0.25000 0.37500 0.37500 0.37500 0.31200 0.37500 0.37500

VI.-. Módulo #2: Cálculo de Refuerzos de Ramales de Tuberías según ANSI/ASME B31.3 –1993 Este módulo permite determinar la necesidad de un refuerzo en una conexión de ramal. Para entrar en el módulo # 2 ejecute el botón correspondiente de la figura # 1, una vez ejecutado se presentará la pantalla de la figura # 5, donde se muestran dos formas para realizar el cálculo, según el tipo de carga. Figura # 5.

Método de cálculo de refuerzo en ramales por presión interna: Este método de cálculo se basa en que el área removida en la tubería matriz debe ser compensada con el área restante del espesor de la tubería matriz y ramal, el área restante consiste en el espesor nominal menos el espesor mínimo requerido. El espesor mínimo requerido es la suma del espesor por presión, el espesor por corrosión y el espesor de la tolerancia de fabricación( 12.5%). Ejecutando el botón de Cálculo por Presión Interna se abre la pantalla de la figura # 6. Datos a insertar en la pantalla (figura # 6): - Tubería Matriz y Ramal: en estos cuadros se insertan las dimensiones geométricas de diámetro y espesor de pared, cada cuadro posee dos menú emergente, el primer menú emergente permite elegir el diámetro normalizado, el segundo menú emergente muestra los schedule normalizados para el diámetro elegido. Ambos menú emergente poseen la opción 'Otro' al final de la lista, por medio de esta opción se puede colocar la geometría de la tubería para un diámetro no normalizado.

-

Angulo entre tuberías: representa el ángulo entre el eje axial de la tubería matriz y el eje axial de la tubería ramal. El valor de este ángulo está limitado entre 45° y 90°.

- Clasificación de Materiales Metá1icos~ presenta un menú emergente con una lista de los materiales, basados en la Tabla 304.1.1 de la norma ASME B31.3. Una vez elegido el material se reporta el valor del coeficiente 'Y' en función de la temperatura. Si la temperatura es cambiada, el valor del coeficiente 'Y' se actualiza automáticamente. Figura # 6.

- Condiciones de Operación: - Presión: representa la presión de operación de la tubería la presión a introducir debe ser relativa. El menú emergente al lado de la casilla de la presión permite modificar la unidad por defecto ('psig') - Temperatura: representa la temperatura de operación de la tubería. El menú emergente al lado de la casilla de temperatura permite modificar la unidad por defecto ('°F')

- Espesor por corrosión: este valor depende del fluido de trabajo y es colocado por el usuario. El menú emergente al lado de la casilla de espesor por corrosión permite modificar la unidad por defecto ('plg.') - Resistencia del material: presenta un menú emergente con una lista de materiales de la Tabla A-l, Apéndice A de la norma ASME B31.3. Una vez elegido el material, se reporta el esfuerzo admisible en 'psi'. El valor del esfuerzo admisible está relacionado con la temperatura, si se realiza un cambio en la temperatura automáticamente se reporta el nuevo esfuerzo admisible del material elegido. Al final de la lista del menú emergente se presenta la opción 'Otro', que permite introducir la resistencia del material por medio de una ventana emergente. - Factor de Calidad (E): presenta un menú emergente con una lista de los factores de calidad según el tipo de unión, los datos se basan en la Tabla A-1B, Apéndice A de la norma ASME B31.3. Una vez elegida la opción. se reporta el valor de 'E'. Al final de la lista del menú emergente se muestra la opción 'Otro' que permite colocar el factor de calidad por medio de una ventana emergente. Realizar el Cálculo del Refuerzo: Para realizar el cálculo del refuerzo se ejecuta el botón CALCULAR. Una vez ejecutado el botón aparece en la sección de resultados la respuesta. Si los datos no están completos o se encuentran fuera de los límites, se muestra una pantalla con el mensaje de error. Resultados del Cálculo del Refuerzo: - Refuerzo: las posibles respuestas de esta casilla son " Requiere Refuerzo " y "N o Requiere Refuerzo". - Espesor: indica el espesor del refuerzo, si no requiere refuerzo no se muestra nada en la casilla. Ver esquema del refuerzo, Figura # 7. - Longitud: indica la longitud del refuerzo, si no requiere refuerzo no se muestra nada en la casilla. Ver esquema del refuerzo, Figura # 7.

Figura # 7

- Área Disponible: representa el área en exceso debida al espesor de la tubería matriz y la tubería ramal. - Área Requerida: representa el área que fue sustraída de la tubería matriz para realizar la conexión de ramal. Cuando el área requerida es mayor que el área disponible se indica el espesor y la longitud del refuerzo. Método de cálculo de refuerzo en ramales por momentos externos Este método de cálculo se basa en que el esfuerzo admisible "Sa" debe ser mayor al esfuerzo calculado "Se" Ejecutando el botón de Cálculo por Momentos Externos se abre la pantalla de la figura # 8. Datos a insertar en la pantalla: - Tubería Matriz y Ramal: en estos cuadros se insertan las dimensiones geométricas de diámetro y espesor de pared, cada cuadro posee dos menú emergente, el primer menú emergente permite elegir el diámetro normalizado, el segundo menú emergente muestra los schedule normalizados para el diámetro elegido. Ambos menú emergente poseen la opción 'Otro' al final de la lista, por medio de esta opción se puede colocar la geometría de la tubería para un diámetro no normalizado.

- Esfuerzo Admisible presenta un menú emergente con una lista de materiales de la Tabla A-1, Apéndice A de la norma ASME B31.3. Una vez elegido el material, se reporta el esfuerzo admisible en 'psi 'a la temperatura ambiente (Sc) y a la temperatura de operación (Sh). El valor del esfuerzo admisible está relacionado con la temperatura, si se realiza un cambio en la temperatura automáticamente se reporta el nuevo esfuerzo admisible del material elegido. Al final de la lista del menú emergente se presenta la opción 'Otro', que permite introducir la resistencia del material por medio de una ventana emergente. - Temperatura: se introduce la temperatura mayor o de operación y la temperatura menor o ambiente. Los menú emergentes al lado de las casillas de temperatura permite modificar la unidad de la temperatura por defecto('°F'). - Ciclos de Desplazamiento: permite obtener el valor del factor de reducción del rango del esfuerzo. Figura # 8.

- Momentos en la tubería rama1: - Momento Torsor (Mt): representa el momento torsor en el eje axial de la tubería ramal. El menú emergente al lado de la casilla permite modificar la unidad del momento, la unidad por defecto es 'lbf* plg'. Ver figura # 9. - Momento en el Plano (Mi): representa el momento en el plano que forman los ejes de la tubería matriz y ramal. El menú emergente al lado de la casilla permite modificar la unidad del momento, la unidad por defecto es 'lbf*plg'. Ver figura # 9. - Momento fuera del Plano (Mo) representa el momento fuera del plano que forman los ejes de la tubería matriz y ramal. El menú emergente al lado de la casilla permite modificar la unidad del momento, la unidad por defecto es 'lbf* plg.' Ver figura # 9. Figura # 9

Realizar el Cálculo del Refuerzo: Para realizar el cálculo del refuerzo se ejecuta el botón CALCULAR . Una vez ejecutado el botón aparece en la sección de resultados la respuesta. Si los datos no están completos o se encuentran fuera de los límites, se muestra una pantalla con el mensaje de error. La explicación de los resultados es igual al método de cálculo por presión. En la página siguiente se muestra un ejemplo del reporte.

CALCULO DE REFUERZO EN RAMALES Tubería Matríz:

Tubería Ramal:

Diámetro Nominal:

8

Schedule:

plg.

Diámetro Nominal:

4

40

Schedule

40

Diámetro Exterior:

8.6250 plg.

Diámetro Exterior:

4.5000

plg

Espesor Nominal:

0.3220 plg.

Espesor Nominal:

0.2370

plg

Angulo entre tuberías:

plg.

90.00 Grados CALCULO POR PRESION INTERNA DE LA TUBERIA

Material:

Otros Metales Dúctiles

Resistencia del Material:

Y = 0.40

Carbon Steel A 53 B

S = 20000.0 psi.

Condiciones de Operación: Presión: 300.00 psig

Temperatura: 400.00 °F

Factor de Calidad:

C.S. A 53 Type S, Seamless pipe

Refuerzo:

No Requiere Refuerzo

Espesor:

0 plg.

Longitud:

0 plg.

Espesor por Corrosión

.100 plg.

E = 1.00

Área Requerida:

0.2755 plg2

Área Disponible:

0.5980 plg2

CALCULO DE REFUERZO EN RAMALES Tubería Matriz:

Tubería Ramal:

Diámetro Nominal:

14

Schedule:

plg.

Diámetro Nominal:

8

STD

Schedule

STD

Diámetro Exterior:

14.0000 plg.

Diámetro Exterior:

8.6250

plg

Espesor Nominal:

0.3750 plg.

Espesor Nominal:

0.3220

plg

Angulo entre tuberías:

plg.

90.00 Grados

CALCULOS POR MOMENTOS EXTERNOS EN LA TUBERIA Esfuerzo Admisible:

Carbon Steel A53 B

Temp.. Operación: Sh = 20000.00 psi Ciclos de Desplazamiento: Momentos en la Tubería Ramal:

Temp.. Ambiente: Sc = 21000 Tosión

=

0.00

Lbf*plg

En el plano

=

150000.00

Lbf*plg

0.00

Lbf*plg

Fuera del Plano = Refuerzo: Requiere refuerzo

20000.00 psi

Espesor:

0.375 plg.

Longitud:

3 plg

V.-

Módulo # 3: Cálculo de Esfuerzos Locales según WRC –107 Este módulo permite determinar los esfuerzos locales de elementos soldados en tuberías, tales como soportes. El método de cálculo se basa en el boletín WRC -107, donde se calculan los esfuerzos en ocho puntos en la tubería, como se muestra en la Figura # 10. El subíndice "U" indica exterior de la tubería, y el sub. Índice "L" indica interior a la tubería. La convención de las fuerzas y momentos aplicados al sistema debe ser como el que se muestra en la figura # 10. Figura # 10

Para entrar en el módulo # 3 ejecute en la pantalla principal ( figura # 1) el botón correspondiente, una vez ejecutado se presentara la pantalla de la figura # 11. Datos a insertar en la pantalla (Figura # 11): -

Tubería:

-

Línea: representa la línea a la cual se le está soldando el soporte.

-

Diámetro nominal y schedule: por medio de estos dos menús emergentes se puede seleccionar el diámetro normalizado y el schedule , para obtener el valor del diámetro exterior y el espesor nominal. En caso de utilizar un diámetro o schedule no normalizado se puede seleccionar la opción "Otro" que se encuentra al final de cada lista. La base de datos de los diámetros normalizados y espesores de tuberías fue obtenida de la norma B36.10 para tuberías de acero al carbono y B36. 19 para tuberías de acero inoxidable.

Con el valor del diámetro exterior y el espesor nominal se calcula el parámetro geométrico gamma γ el cual está limitado entre 5 y 300. La fórmula del cálculo de gamma es: γ = (Radio medio de la tubería) / ( Espesor nominal) Figura # 11.

-

Soporte: -

Nombre: indica el soporte al cual se le está realizando el cálculo.

-

Tipo: por medio de este menú emergente se puede seleccionar el tipo de soporte que se está soldando a la tubería.

- Circular WRC -107: Representa un soporte tipo circular (Trunnion), una vez realizada la selección se presenta una ventana emergente donde se coloca el diámetro nominal y boquillas, tomando el soporte circular como una boquilla). Con el radio exterior del soporte y el radio medio de la tubería se realiza el cálculo del parámetro geométrico beta " β ", el cual está limitado entre 0.05 y 0.50. La fórmula del cálculo de beta es:

β = (0.875 *Radio exterior del soporte) / (Radio medio de la Tubería) - Cuadrado WRC -107: representa un soporte tipo cuadrado, una vez realizada la selección se presenta una ventana emergente donde se coloca el valor de la longitud del lado. Con la mitad del valor de la longitud del lado del soporte y el radio medio de la tubería se realiza el cálculo del parámetro geométrico beta " β ", el cual está limitado entre 0.05 y 0 50. La fórmula del cálculo de beta es: β = (Mitad del lado del soporte) / (Radio medio de la Tubería) - Rectangular WRC -107: Representa un soporte tipo rectangular, una vez realizada la selección se presenta una ventana emergente donde se coloca el valor del lado longitudinal y el lado circunferencial. El lado longitudinal es el lado que es paralelo al eje axial de la tubería, y el lado circunferencia! es el lado perpendicular al eje axial de la tubería. Con cada lado del soporte y el diámetro de la tubería se realiza el cálculo de beta 1 y beta 2, los cuales son utilizados para obtener el valor de beta para cada carga aplicada. El valor de beta está limitado entre 0.05 y 0.50, en caso de que las dimensiones no cumplan los límites de beta no serán aceptadas. - Figuras WRC -107: al seleccionar esta opción se muestra la figura # 12, donde se presenta una serie de ocho "Figuras". Al seleccionar una de las "Figuras" se muestra la figura # 13, donde se colocan las dimensiones de la "Figura" seleccionada, al seleccionar el valor de "h" se tiene una opción para indicar la orientación, indicando si esta dimensión está orientada hacia el lado longitudinal o circunferencial. El valor de "h" representa la altura, el valor de "b" representa la anchura, y el valor de, "tc" representa el espesor. Cada una de las figuras se transforma en un rectángulo, obteniéndose un lado longitudinal y un lado circunferencial, y se aplica el tratamiento como si fuera un rectángulo, teniendo las mismas limitaciones. En caso que las dimensiones de la figura no cumplan los requisitos de beta, las dimensiones del soporte no serán aceptadas.

Figura # 12

Figura # 13

-

Espesor por corrosión: este valor depende del fluido de trabajo y es colocado por el usuario. El menú emergente al lado de la casilla de espesor por corrosión permite modificar la unidad por defecto ( 'plg' ). El valor del espesor por corrosión está relacionado con el espesor de la tubería, en caso de que el espesor por corrosión supere el espesor de la tubería se generará un error y se deberá ajustar los espesores.

-

Factores de concentración de esfuerzos: son aplicados para casos dónde el material deja de presentar un comportamiento dúctil. Los factores de concentración de esfuerzos están en función de la dimensión longitudinal del soporte y el radio de filete entre el soporte y la tubería. El valor por defecto es uno, y los valores calculados deben ser mayores a uno. -

Kn: factor de concentración de esfuerzos para el caso de tensión.

-

Kb: factor de concentración de esfuerzos para el caso de flexión.

-

Temperatura: se introduce la temperatura de operación y la temperatura ambiente. El menú emergente al lado de las casillas de temperatura permite modificar la unidad por defecto ('°F').

-

Esfuerzo Admisible: presenta un menú emergente con una lista de materiales de la Tabla 2A, ASME Sección II, Parte D. Una vez elegido el material, se reporta la intensidad de esfuerzo en 'psi', a la temperatura ambiente y a la temperatura de operación. El valor de la intensidad de esfuerzo está relacionado con la temperatura, si se realiza un cambio en la temperatura, automáticamente se reporta el nuevo valor de intensidad de esfuerzo del material elegido. Al final de la lista del menú emergente se presenta la opción 'Otro', que permite introducir la resistencia del material por medio de una ventana emergente.

-

Relaciones Geométricas: en esta casilla se reportan las relaciones geométricas según el tipo de soporte seleccionado. Para soportes circulares y cuadrados se reporta el valor de gamma (γ) y beta (β). Para soportes rectangulares y figuras se reporta el valor de beta 1 (β1) y beta2 (β2). Si los datos insertados cumplen los requisitos expuestos, al presionar el botón Aceptar permitirá el paso a la siguiente pantalla (Figura # 14). En caso de no cumplir algún requisito se muestra una pantalla de error con un mensaje que indica su causa.

Datos a insertar en la pantalla (Figura #14): -

Cargas en la unión: se muestra una lista de fuerzas y momentos que actúan según la dirección y sentido de la Figura # 15.

-

Carga Radial P: actúa en el eje axial del soporte, en sentido hacia la tubería.

-

Fuerza Cortante VL: actúa en el eje axial de la tubería, en sentido hacia el punto A.

-

Fuerza Cortante VC: actúa perpendicular a la fuerza VL, en sentido al punto C.

-

Momento Torsor MT: actúa en el eje axial del soporte, en sentido saliendo del soporte.

-

Momento Flector MI: actúa perpendicular al plano de los ejes axiales de la tubería y el soporte, en sentido del punto B al punto A.

-

Momento Flector Mc: actúa en el eje axial de la tubería, en sentido del punto D al punto C.

El menú emergente que se encuentra al lado de las casillas de las cargas permite modificar la unidad por defecto. -

Presión interna de la tubería: permite insertar la presión relativa a la cual está sometida la tubería. El menú emergente que se encuentra al lado permite modificar la unidad por defecto ('psig').

-

Verificación del esfuerzo admisible: en esta casilla presenta el valor límite que pueden alcanzar los valores de intensidad de esfuerzos para los ocho puntos que se muestran en la figura # 15 (AU, AL, BU, BL, CU, CL, DU, DL). El valor límite se calcula en base al Apéndice 4 de la norma ASME Sección VIII división 2, donde el valor límite es el l.5 por el menor- esfuerzo admisible.

Figura # 14

Figura # 15 Convención de Fuerzas y Momentos

Realizar el Cálculo de la Intensidad de Esfuerzos: Una vez insertado los datos requeridos se presiona el botón Calcular Intensidad de Esfuerzos, para obtener el valor de la intensidad de los esfuerzos en los ocho puntos de la figura # 14. La intensidad de esfuerzo calculada está en función de las cargas y de la presión interna. Una vez realizado el cálculo se compara la intensidad de esfuerzo calculada con el valor límite, y se muestra la respuesta de la comparación en la casilla de verificación del esfuerzo admisible. El botón Hoja de Cálculo permite mostrar en forma detallada el cálculo de los esfuerzos para cada uno de los puntos. Para obtener el reporte impreso es necesario realizar el cálculo de la intensidad de esfuerzos. Al presionar el botón Cancelar permite regresar a la pantalla anterior. En la página siguiente se muestra un ejemplo del reporte.

REPORTE DE CALCULO DE ESFUERZOS LOCALES DE ELEMENTOS SOLDADOS EN TUBERÍAS Datos: Tubería Soporte Línea: LK-5545 Nombre: TRUNNION Diámetro Nominal: 44 Tipo: Circular WRC-107 Schedule:XS Dimensiones del Soporte: Diámetro Exterior: 44.0000 Diámetro: 24.0000 plg. Espesor nominal: 0.5000 Espesor: 0.5000 plg Espesor por Corrosión: 0.1181 plg. Factores de Concentración de Esfuerzos: Radio de Filete: 0.0000 plg Kn: 1.0000 Kb: 1.0000 Temperatura Ambiente: 662.0000 °F Temperatura de Operación: 662.0000 °F Material: Carbón Steel A 106 B Resistencia del Material: Sc: 16876.0000 psi. Sh: 20000.000 psi Relaciones Geométricas: 0.4828 γ= 43.500 β= Cargas: Fuerza Radial P: 5550.00 Lbf. Momento Torsional Mt: 102000.0000 Lbf*plg Fuerza de Corte VL: 7890.0000 Lbf. Momento Flector ML: -94200.0000 Lbf*plg Fuerza de Corte VC: 15000.0000Lbf. Momento Flector MC: 144000.0000 Lbf*plg Presión Interna: 150.0000 psi. Resultados: Intensidad de Esfuerzo en los ocho puntos: AU: 8818 psi. AL: 8277 psi.

BU:

8949 psi.

BL:

CU:

DU:

18252 psi.

DL:

23226 psi.

CL:

19612 psi.

Verificación de Esfuerzo Admisible: Valor Límite: 25314.00 psi.

Resiste las Cargas 1.

7713 psi 17747 psi.

Hoja de Cálculo de los Esfuerzos: γ=

β=

43.5000 3.019 0.006

AU -1541 -799

AL -1541 -799

BU -1541 -799

BL -1541 -799

Nf,MI 1.602 Mf,MI 0.005 Esf.Cir.Presión Total Esf. Cir. Nx,P 1.087 Mx,P 0.014

1321 1076 8641 8698 -555 -1865

1321 -1076 8641 8144 -555 1865

-1321 -1076 8641 3904 -555 -1865

-1321 1076 8641 7654 -555 1865

Nx,MI Mx,MI

830 1722

830 -1722

-830 -1722

-830 1722

132 225 796

418 225 796

-4972 225 796

2202 225 796

1021 8818

1021 8277

-571 8949

-571 7713

Nf,P Mf,P

1.006 0.008

Total Esf.Long Corte por Mt Corte por Vc Corte por VI Esf. Cort. Total Intens. del Esf.

0.4828 1.087 0.015 0.993 0.059

CU -555 -1998 -1252 -19418

CL -555 1998 -1252 19418

DU -555 -1998 1252 19418

DL -555 1998 1252 -19418

Total Esf. Cir. Nx,P 3.019 Nx,Mc 0.006 Nx,Mc 4.201 Mx,Mc 0.024

-23223 -1541 -799 -5297 -7899

19609 -1541 799 -5297 7899

18117 -1541 -799 5297 7899

-16723 -1541 799 5297 -7899

Esf. Long. Pres. Total Esf. Long. Corte por Mt Corte por Vc Corte por VI Esf. Cort. Total Intens. del Esf.

4321 -11215 225

4321 6181 225

4321 15177 225

4321 977 225

419 -194 23226

419 -194 19612

419 644 18252

419 644 17747

Nf,P Mf,P Nf,Mc Mf,Mc

Inelectra

INSTRUCTIVO PARA EXPORTAR CODIGOS DE SOPORTES DESDE AUTOCAD HASTA EL S.C.S.

Realizado por: Enrique Shadah M. Tutor: Ing. Gonzalo Umérez

28 de Agosto de 1996 . H:\ARCHIVOS\ACAD_ SCS\ACAD_SCS.DOC

Los planos de ruteo o "routing" contienen toda la información de las líneas en una determinada área del proyecto. Una parte de esa información comprende los soportes de las líneas. Usualmente, la soportería de líneas menores que 2 in. se deja a definir en campo debido a que el ruteo de las mismas es precisado finalmente en el lugar de construcción. Además, se le pueden agregar soportes que hayan sobrado de otras tuberías. Los soportes son representados por códigos de acuerdo al estándar de Inelectra (dependiente del proyecto y de las exigencias del cliente), éstos van ubicados dentro de una regleta de acuerdo al número de soportes que tenga una determinada sección de la tubería. Usualmente, la soportería de las líneas menores de 2" de diámetro se deja a definir en Campo. Esto es debido a que el ruteo de las mismas es precisado en el lugar de construcción, además, se le pueden agregar soportes que hayan sobrado de otras tuberías. Las regletas pueden insertarse desde el menú de AutoCAD y la información que contienen se exporta a un archivo tipo texto, para que luego pueda ser interpretado por el programa S.C.S. (Sistema de Control de Soportes) y sea insertados en la base de datos "Soportes a planos" del mismo. Los pasos a seguir se presentan a continuación: 1.

Desde el menú de persiana, Seleccionar FILE.

2.

Seguidamente, seleccionar Simbología Inelectra

3.

Seleccionar la opción Soportes.. Se presentan los íconos y las descripciones de las regletas.

4.

Seleccionar la regleta deseada y presionar OK.

5.

Insertar la regleta en el punto deseado.

6.

Elija el factor de escalamiento según la escala de su dibujo.

7.

Ingresar los códigos de los soportes en las casillas identificadas con la palabra

CODIGO-#. Es necesario que los códigos se escriban en mayúsculas y separados por guiones.

8.

Escribir en las casillas identificadas con LINEA-# el código completo de la línea sujetada por el soporte.

Escribir el código de la línea como se indica en la figura. Colocar en las casillas LINEA-#, únicamente el código básico de la línea 9. En la casilla Frecuencia, introducir las veces que el soporte en cuestión se utiliza en la línea. Si desea introducir más líneas, utilizar los botones NEXT y PREVIOUS de la caja de diálogo. 10. Ejecutar el comando DDATTEXT desde la línea de comandos; Se presenta la caja de diálogo correspondiente a la extracción de atributos. 11.

Seleccionar CDF (Comma Delimited File), Para fijar el formato de separación de Columnas o campos del archivo de salida.

12.

Presionar el botón para la selección de objetos. Escoger todos escribiendo all en la línea de comandos, luego presionar dos veces la tecla ENTER.

13.

Seleccionar el archivo prototipo o "témplate" digitalizando en Template File. El archivo que se debe seleccionar es el ACAD_SCS.TXT ubicado en.....???????, su estructura se encuentra al final del instructivo.

14.

Seleccionar el archivo de salida eligiendo la opción Output File. El nombre destinado para dicho archivo tiene la siguiente estructura: [código numérico del grupo de tareas de tuberías][área][página][revisión].TXT, por ejemplo: el nombre del archivo de texto que contiene la información de los soportes de la revisión 1 del plano 700-90 T03-001 queda 03900011.TXT donde: -.03 es el código numérico del grupo de tareas de Tuberías. -.90 es el área física que representa el plano. -.001 es el número consecutivo del plano. -.1 es la revisión. Guardarlo en el directorio del proyecto o en el directorio del S.C.S.

15.

Seleccionar OK El archivo tipo texto ya ha sido generado. Este es el que proporciona los datos de entrada que el S.C.S. va utilizar en el conteo de soportes por línea.

16.

Entrar en el programa S.C.S., en el módulo de mantenimiento ejecutar la instrucción Importar soportes de ACAD.

17.

Escribir sólo el nombre del archivo texto, sin la extensión, ubicado en el directorio del proyecto o en el directorio del S.C.S. que contiene los datos del plano.

18.

Ingresar el código del proyecto.

19.

Una vez completados los tres (3) pasos anteriores, ejecutar el comando Transferir soportes de ACAD, y verificar si los soportes que van a ser incorporados, actualizados o eliminados son los correctos.

20.

Presionar la tecla Esc y escoger si desea hacer la transferencia.

21.

Se ha concluido la importación de soportes de los planos de planta hechos en AutoCAD. La estructura del archivo ACAD_SCS.txt que se emplea como molde para la generación del archivo de texto que contiene la información de los soportes del dibujo, se presenta a continuación: N%%DPLANO

C020000

UNIT

N005000

CODE

C003000

NO

C003000

CODIGO-1

C010000

CODIGO-2

C010000

CODIGO-3

C010000

CODIGO-8

C010000

línea-1

C020000

frec.-1

N005000

línea-2

C020000

frec. 2

N005000

Línea-40

C020000

frec.-40

N005000

Es en este archivo donde se eligen los atributos que se van a exportar, entre ellos se encuentran los atributos del bloque formato. Es importante destacar que pueden existir diversos tipos de formatos de planos de planta según se convenga a principios del proyecto, en el caso de esta interfase, se tomaron en cuenta sólo dos tipos de formatos: el formato tipo A (empleado en el proyecto Propano / propileno) que posee todo el código del plano en un solo atributo llamado N° PLANO y el formato tipo B (empleado en el proyecto Etano) que contiene el código del plano desglosado 4 atributos: -.Proy., Area, Code, NO: el atributo Proy no se toma en cuenta para la exportación ya que el usuario escoge el proyecto desde el S.C.S. El atributo AREA lleva la información del área física que representa el plano; el atributo Code incluye la información del grupo de tareas al que pertenece el plano y el atributo NO contiene el número consecutivo. Si se modifica el nombre o tag del atributo que contiene el código del plano en un formato tipo A, ésta debe estar reflejada en el primer renglón del archivo ACAD_SCS.txt. Lo mismo sucede para los formatos tipo B.

SISTEMA DE VERIFICACIÓN DE BOQUILLAS EN TANQUES

MANUAL DEL USUARIO

Realizado por: Claudio Núñez Tutor: Ing. Victoria Granados

MANUAL DEL USUARIO Este programa ha sido diseñado para verificar las solicitaciones en la boquilla de un tanque atmosférico cumpla con las normas API 650 (apéndice P). El sistema le pide al usuario ciertas cantidades de algunas variables geométricas de la boquilla y del propio tanque, y posteriormente necesita los valores de las fuerzas y los momentos a los que esta sometida dicha boquilla. Estos valores deben obtenerse con algún método de análisis de flexibilidad; para ello existen diversos paquetes entre los cuales cabe destacar el CAESAR II ( que es el empleado en Inelectra), el SIMFLEX, el RAFLEX, etc. Luego el programa se ocupa del cálculo de la deflexión radial y de la rotación en el plano vertical, al igual que de la fuerza radial y de los momentos circunferencial y longitudinal máximos a los que puede estar sometida la boquilla según la norma. El sistema también permite verificar gráficamente que la boquilla no falle, haciendo uso de los nomogramas. Finalmente se presenta la opción REPORTE que le permite al usuario imprimir los resultados obtenidos. Este manual ha sido dividido en tres partes. La primera de ellas se titula Generalidades del Sistema donde se explica la relación entre el CAESAR II y el SVBT (Sistema de Verificación de Boquillas en Tanques), se especifican las instrucciones para entrar al sistema se explican las teclas comunes y se describen los módulos del sistema (pantallas, menúes, reportes, etc.). La segunda parte del manual es el glosario de términos, donde se explica en detalle el significado de cada variable que se le pide al usuario y de algunos términos empleados a lo largo del manual. Por último se presentan una parte de anexos, donde el usuario podrá observar los formatos de los reportes.

I)

GENERALIDADES DEL SISTEMA:

1)

Relación entre el Cesar II y el sistema de verificación de boquillas para tanques (SVBT): El CAESAR II es un paquete de computación utilizado para realizar el análisis de flexibilidad de un sistema de tuberías. Dicho programa tiene diversas opciones para la verificación de boquillas de bombas, de intercambiadores, etc.; sin embargo a pesar de tener la posibilidad de verificar boquillas en tanques, no genera los nomogramas que pueden muchas veces ayudar al ingeniero a tomar una decisión. Es por este motivo que el SVBT se convierte en un instrumento de gran utilidad, y complementa en cierto modo los cálculos realizados por el CAESAR. Ambos sistemas (CAESAR y SVBT) pueden utilizarse paralelamente y así ahorrar muchas horas de trabajo. Al realizar el análisis de flexibilidad a un sistema de tuberías por primera vez, las boquillas se modelan en el CAESAR como anclajes con un desplazamiento y una rotación que solo toma en cuenta el efecto del tanque sobre la boquilla. Sin embargo esta aproximación se aleja bastante de la realidad, pues como ya es sabido la boquilla está sometida a deformaciones debido a esfuerzos por presión, por cargas sostenidas (peso de válvulas, bridas, etc.), por cargas ocasionales (vientos, sismo, etc), por expansión térmica de la tubería, esfuerzos debidos a desplazamientos impuestos por los equipos conectados al sistema de tuberías, etc. A pesar de este inconveniente, se debe utilizar dicho modelo como primera aproximación para correr el CAESAR ya que no se disponen de los valores reales del desplazamiento ni de la rotación de la boquilla. Al ejecutar el CAESAR, éste arroja los valores de las fuerzas y momentos aplicados en la boquilla, y estos pueden ser entonces utilizados por el SVBT para calcular una nueva deflexión y rotación. Aunque estos nuevos valores aún no son los reales, no cabe duda que representan una mejor aproximación de lo que está ocurriendo en la boquilla. El usuario puede entonces recurrir nuevamente al CAESAR y modelar dicha boquilla como un anclaje pero con el desplazamiento y la rotación calculados por el SVBT. Esta nueva aproximación permite realizar una segunda corrida del CAESAR y encontrar así valores de las fuerzas y momentos más cercanos a la realidad. Estos últimos pueden ser utilizados una vez más por el SVBT para calcular una deflexión y una rotación más próximas a las reales. De esta manera el usuario puede iterar con ambos programas hasta que lo considere conveniente, sin embargo se recomienda no iterar más de dos veces.

A continuación se presenta de forma esquemática la manera en que se realiza la interacción: Número

Programa

1

SVBT

2 3 4 . . . n-1 n

Modelo utilizado en la boquilla Boquilla sin fuerza y momentos producidos por la tubería Anclaje con rotación y desplazamiento.

CAESAR II SVBT CAESAR II . . . CAESAR II SVBT

Anclaje con rotación Y desplazamiento . . . Anclaje con rotación y desplazamiento

Valores utilizados θ1: rotación Wr1: despl. Fr1, Mc1 Ml1 θ2: rotación Wr2: despl.. . . . θn-1 Wr n-1 Frn, Mcn Mln

Valores calculados θ1: rotación Wr1: despl. Fr1, Mc1 Ml1 θ2: rotación Wr2: despl. Fr2, Mc2 Ml2 2 3 4

Una vez realizada la última iteración, el SVBT permite verificar si la boquilla resiste haciendo uso de los nomogramas. 2)

Entrada al sistema: El ingreso al sistema se hace directamente a través de Windows, haciendo doble-clic sobre el icono API 650. También puede entrar directamente desde el sistema operativo ya que el programa contiene su propio archivo ejecutable.

3)

Comandos comunes: Esta opción le permite al usuario pasar a la pantalla siguiente. Este comando permite regresar a la pantalla anterior y es de gran utilidad a la hora de necesitar cambiar algún dato o alguna unidad en el programa. Esta opción se encuentra en cada pantalla y presenta una breve explicación de cada variable pedida en el programa, al igual que algunos dibujos.

Este comando le permite al usuario salir del sistema en cualquier pantalla y en cualquier momento. 4)

Comandos particulares: Esta opción se encuentra en la pantalla de resultados, y permite verificar gráficamente si la boquilla resiste el estado de esfuerzos y deformaciones. Al seleccionar esta tecla, el SVBT le ofrece al usuario la posibilidad de ver independientemente cualquiera de los dos nomogramas (dicho procedimiento se explicará posteriormente). Es importante destacar que ambas gráficas pueden imprimirse. Este comando también se encuentra en la pantalla de resultados; al seleccionarla aparece una pantalla donde se pide el nombre del cliente, el nombre del proyecto, número de equipo y el nombre o número de la boquilla. Ya partir de allí el usuario tiene la posibilidad de imprimir los resultados, o de ver una presentación preliminar del reporte si así lo quiere. Este botón se encuentra una vez más en la pantalla de resultados y realiza exactamente la misma función que la tecla SALIR

5)

Módulos del sistema: El SVBT es un programa en ambiente Windows que permite introducir y cambiar los datos en forma fácil y amigable. Sin embargo hay que tomar en cuenta algunos puntos: a) Las pantallas: A continuación se presenta cada pantalla del sistema SVBT con el fin de familiarizar al lector con su uso. La primera pantalla es simplemente la presentación del sistema, y ofrece la posibilidad de empezar a ejecutar el programa (botón CONTINUAR), o ir a una pantalla de instrucciones (botón INSTRUCCIONES) donde se explica el significado de cada variable y se muestran algunos dibujos del tanque y la boquilla:

Figura N° 1 :Pantalla inicial

Al presionar la opción INSTRUCCIONES aparece la siguiente pantalla:

Figura N °2 :Primera pantalla de instrucciones

Si el usuario escoge la tecla SALIR, el programa terminará; por el contrario si este selecciona la tecla CONTINUAR, aparecerá lo siguiente:

Figura N° 3: Segunda pantalla de instrucciones: En esta última pantalla de instrucciones, nuevamente el usuario tiene dos opciones; puede regresar a la primera pantalla de instrucciones escogiendo el botón ANTERIOR, o puede comenzar a ejecutar el programa seleccionando la tecla EMPEZAR.

Al escoger la opción EMPEZAR aparece la pantalla que se muestra a continuación:

Figura N° 4: Primera pantalla de recepción de datos En dicha pantalla se le piden al usuario los valores de ciertas características geométricas de la boquilla, al igual que ciertas propiedades físicas como la presión y la temperatura y por último el tipo de retuerzo utilizado. Es importante destacar que cada dato pedido tiene su menú de UNIDADES donde el ejecutante puede especificar en que unidades esta trabajando: el programa tiene unidades asignadas por defecto, que el usuario puede cambiar a voluntad. En esta pantalla se presentan tres botones fácilmente reconocibles: el primero es el de CONTINUAR, el segundo es el de AYUDA, y el último es el de SALIR. Todas estas opciones ya fueron explicadas en la sección de TECLAS COMUNES. Si el usuario escoge la opción AYUDA aparece una pantalla donde se le explica en detalle el significado de cada variable, haciendo uso de figuras acotadas y su respectiva nomenclatura; el formato de esta primera pantalla de ayuda se presenta a continuación:

Figura N° 5: Primera pantalla de ayuda Si por el contrario se selecciona la tecla CONTINUAR, se activa una segunda pantalla de recepción de datos:

Figura N° 6: Segunda pantalla de recepción de datos Como puede observarse el sistema pide el valor de algunos parámetros geométricos del tanque, al igual que el de la fuerza y momentos aplicados en la boquilla. Una vez más es importante señalar que el valor de dicha fuerza y momentos debe obtenerse con el CAESAR II o haciendo uso de algún método de análisis de flexibilidad. Esta pantalla presenta varias teclas entre las cuales hay que destacar la de ayuda; dicho botón envía el sistema hacia una pantalla donde se explica cada variable junto con un diagrama:

Figura N° 7: Segunda pantalla de ayuda Por otro lado el botón CALCULAR manda al sistema a realizar todos los cálculos del apéndice P de la norma API 650. Los resultados obtenidos se publican entonces en la pantalla siguiente:

Figura N° 8 Pantalla de resultados En esta pantalla aparecen diversos parámetros de gran importancia. En primer lugar el programa muestra los valores de la deflexión y rotación de la boquilla; estos últimos pueden ser utilizados para modelar la boquilla en el CAESAR II como ya se explicó en la sección Relación entre el CAESAR y el Sistema de Verificación de Boquillas en Tanques. Luego se presentan los valores de la fuerza radial máxima admisible y de los momentos longitudinal y circunferencial Máximos permisibles por la norma; en caso de que el usuario tenga dudas con respecto a la dirección y sentido de dicha fuerza y momentos, puede consultar la opción AYUDA donde se muestra un diagrama completo de la boquilla y los vectores:

Figura N° 9 Tercera pantalla de ayuda Si el usuario desea ver la siguiente pantalla de ayuda simplemente selecciona el botón CONTINUAR y aparecerá la pantalla que se muestra a continuación:

Figura N°10:Cuarta pantalla de ayuda Retornando a la explicación de la pantalla de resultados, es importante destacar que los valores de la fuerza radial máxima permisible y de los momentos longitudinal y circunferencial máximos permisibles no son realmente significativos para concluir si la boquilla falla; para ello se señala en una caja de diálogo situada en la parte inferior de la pantalla si la boquilla cumple con las normas API 650; de no hacerlo aparecerá el mensaje "La boquilla falla". El usuario tiene la posibilidad de mandar a imprimir los resultados obtenidos seleccionando la tecla REPORTE. En tal caso aparecerá la pantalla siguiente:

Figura N° 11: Pantalla de reporte Esta pantalla permite introducir el nombre del cliente, el nombre del proyecto y el nombre o número de la boquilla. Luego el sistema permite imprimir dicho reporte o mostrar una pantalla de presentación preliminar. También existe la opción de verificar gráficamente si la boquilla resiste escogiendo el botón NOMOGRAMAS; en dicho caso aparecerá la pantalla que se muestra a continuación:

Figura N° 12:Pantalla de verificación A partir de allí se puede escoger entre ambos nomogramas haciendo uso de las teclas NOMOGRAMA1 o NOMOGRAMA2, y el programa le permitirá observar cada una de las gráficas de manera individual:

Figura N° 13: Nomograma N° 1

Figura N° 14: Nomograma N° 2 Por último hay que señalar que estas dos últimas pantallas pueden también imprimirse escogiendo la opción IMPRIMIR. b)

El emergente UNIDADES: Cada variable que se le pide al usuario esta acompañada del emergente UNIDADES donde se encuentra seleccionada automáticamente una unidad por defecto. Si el usuario desea trabajar con dicha unidad solo debe insertar el valor de la variable y apretar ENTER. Para seleccionar alguna otra unidad más conveniente existen dos maneras: · La primera posibilidad es utilizar el ratón (o "mouse"); para ello se debe hacer doble-clic} en la flecha de las UNIDADES que se quieren escoger, y el emergente con todas las opciones permitidas se despliega. El usuario solo tiene entonces que seleccionar con el "mouse" cual es la unidad requerida y hacer un clic. La segunda manera es colocarse sobre la opción de unidades que se quiere modificar y utilizar las flechas de subir y bajar del propio teclado. Sin embargo este método no pern1ite ver el emergente totalmente desplegado.

Es importante saber que al cambiar algún dato ya existente el usuario debe apretar la tecla ENTER de la máquina luego de haber introducido el nuevo dato, en caso contrario el SVBT utilizará para sus cálculos el antiguo valor de la variable. c)

Menú: El SVBT está dotado de un menú en la parte superior de las pantallas de recepción de datos, que permite optar por alguna de las opciones siguientes: • Abrir: abre cualquier archivo ya existente. • Guardar como: permite copiar los datos de la boquilla en estudio con el nombre que el usuario desee. • Guardar: permite actualizar los datos en el archivo que se está trabajando. • Nuevo: comienza una nueva aplicación.

6)

Limitaciones y restricciones: a) Restricciones de la Norma API 650 (apéndice P): Existen tres aspectos que exige la norma: En primer lugar: (L / 2.a)= 1 ó (L / 2.a)= 1,5 donde L es la longitud vertical desde el centro de la boquilla (centerline) hasta el fondo del tanque, y a es el radio exterior de la boquilla. En este sentido el programa permite un error de manera que si por ejemplo (L / 2.a)= 1.15, el sistema aproxime dicho valor a 1 y pueda entonces utilizar la norma. El error permisible por el SVBT oscila entre +-25%. En caso de que el usuario se encuentre fuera del rango, el programa le envía un mensaje

Figura N° 15 Primera pantalla de advertencia La segunda condición es que: 400< (R/t)<2000 donde R es el radio nominal del tanque y t es el espesor de pared de la boquilla. En caso de que este requisito no se cumpla, el programa le manda al usuario un mensaje donde le explica dicha restricción y le pide que cambie el valor de alguno de los dos parámetros:

Figura N° 16:Segunda pantalla de advertencia

El tercer requisito es que: 0.005 < (a/R) < 0.04 donde a es el radio externo de la boquilla y R es el radio nominal del tanque. Nuevamente en caso de que tal restricción no se cumpla, el programa manda un mensaje de advertencia para que el usuario vuelva a introducir el valor de alguno de los parámetros.

Figura N° 17: Tercera pantalla de advertencia b) Restricciones del programa (SVBT): El programa incluye una base de datos que contiene el módulo de elasticidad y el coeficiente de expansión térmica para un rango de temperaturas de diseño que va desde 100 °F hasta 1000 °F; en caso de que el usuario necesite trabajar con una temperatura fuera de este rango, el sistema abrirá una pantalla donde le pedirá que introduzca los valores de estos dos parámetros. Dicha pantalla se muestra a continuación:

Figura N° 18:Pantalla de propiedades

III)

GLOSARIO DE TERMINOS En primera instancia se va a explicar el significado de cada variable pedida al usuario durante cl programa: a: es el radio externo de la boquilla (Figura N° 19). P:

es la presión relativa en el centro (centerline) de la boquilla debida al peso del líquido y/o debida a una cierta presión existente en el tanque (en caso de que el tanque no sea atmosférico). Dicha presión debe ser calculada haciendo uso de la primera ecuación de hidrostática que puede hallarse en cualquier libro de Mecánica de los Fluidos.

t:

es el espesor de pared del tanque (Figura N° 19).

T d: es la temperatura de diseño; esto quiere decir que se trata de la temperatura a la que se estima que va a estar el fluido cuando todo el sistema de tanques y tuberías entre en funcionamiento. Ti:

es la temperatura de instalación o temperatura atmosférica que existe en el lugar.

Tipo de refuerzo: que falle.

toda boquilla en un tanque debe llevar un refuerzo para evitar

Dicho refuerzo no es más que una pequeña placa metálica soldada. Sin embargo es importante escoger donde va a estar ubicado el refuerzo;. en este sentido la norma API 650 prevé dos ubicaciones posibles. La primera posibilidad es colocar el refuerzo en la pared del tanque, mientras que una segunda posibilidad es ubicarlo en el cuello de la boquilla. G:

es la gravedad específica del líquido. Por ser una propiedad específica, no tiene unidades.

H:

es la altura máxima de llenado del tanque que generalmente difiere de la altura total del tanque. Sin embargo en la Figura N° 19 no se hace diferencia entre ambas alturas ya que si se escoge la altura de llenado igual la altura total del tanque, los cálculos son conservadores. R: es el radio nominal del tanque (Figura N° 19).

L:

es la longitud vertical medida entre el centro de la boquilla (centerline) y el fondo del tanque (Figura N° 19).

F r:

es la fuerza radial aplicada en la boquilla, cuyo vector director tiene la dirección y el sentido que se muestran en la Figura N° 20.

Mc:

es el momento circunferencial aplicado en la boquilla, cuyo vector director tiene la dirección y el sentido que se muestran en la Figura N° 20.

MI:

es el momento longitudinal aplicado en la boquilla cuyo vector director tiene la dirección el sentido que se muestran en la Figura N° 20.

A continuación se muestra un diagrama con todas las dimensiones geométricas pedidas por el programa (Figura N° 19) y posteriormente un diagrama con los vectores de la fuerza y los momentos (Figura N° 20):

Figura N°19: Variables geométricas

Figura N° 20 Convención de signos de la fuerza y momentos También existen ciertos términos utilizados a la hora de publicar los resultados entre los cuales se deben señalar: Wr: es la deflexión radial de la boquilla. Se trata del desplazamiento que sufre la boquilla como consecuencia de las fuerzas y momentos aplicados en ella, y tiene una convención de signos que hay que conocer (ver figura N° 21).

θ1:

es la rotación de la boquilla en el plano vertical. Se trata de la rotación que sufre la boquilla como consecuencia del momento longitudinal. Su ángulo de rotación se mide en grados; existe una convención de signos que el usuario debe conocer y que se presenta en el diagrama de la Figura N° 21.

Figura N° 21: Rotación y Desplazamiento de la boquilla Por último se hace referencia a cierta terminología utilizada tanto en el manual como en la norma API 650 (apéndice P): SVBT:

es solo una manera abreviada de nombrar al Sistema de Verificación de Boquillas en Tanques.

Nomogramas: son gráficas empleadas para verificar que la boquilla resista al estado de esfuerzos y deformaciones al que esta expuesta. Es importante destacar que dichas rectas provienen de cálculos realizados con los datos introducidos por el usuario; también existe un punto en cada gráfica cuya coordenadas depende de la fuerza y momentos obtenidos con el análisis de flexibilidad. Este punto se gráfica en cada nomograma, y el usuario tendrá la certeza de que la boquilla aguanta solo sí dicho punto se encuentra dentro de los límites de las rectas graficadas. Ambos gráficos (o nomogramas) pueden observarse en los reportes de los anexos.

IV)

ANEXOS: En esta sección se presentan los formatos del reporte de resultados y de los nomogramas. Sin embargo debe saberse que la presentación de los nomogramas impresos difiere un poco de la mostrada en pantalla durante la ejecución del programa. RESUL TADOS DEL ANALISIS DE LA BOQUILLA Nombre del cliente: Nombre del proyecto: Nombre o número de la boquilla: Nombre o número del equipo:

Pérez Companc Oritupano TA-174 Tanque de almacenamiento

Calculado Análisis Flexibilidad

por Calculado con La norma API 650 de (Apéndice P).

Deflexión radial de la boquilla: Wr Rotación en el plano Vertical de la boquilla:θL Fuerza radial: Fr -.440920E+5 Lbf Momento circunferencial: .56567E+7 Plg.Lbf Mc Momento longitudinal : .31424E+7 Plg.Lbf Ml Condición: La boquilla no falla

.174820E+1 Pgs -.102559E-1 Rad Puntos de corte de las rectas de los nomogramas con los ejes .112944E+6 Lbf .100409E+8 Plg.Lbf .286446E+7 Plg.Lbf

A continuación se muestra la nomenclatura de la fuerza, los momentos, y de las deformaciones de la boquilla:

* Estos valores no son significativos, ni pueden compararse con los obtenidos en el análisis de flexibilidad.

SISTEMA DE CALCULO DE LA FUERZA GENERADA POR EL DISPARO DE UNA VALVULA DE SEGURIDAD

MANUAL DEL USUARIO

Realizado por: Pedro M. Mendoza K. Tutor: Ing. Gonzalo Umérez

Inelectra, Julio-Diciembre 1996.

Indice Página

Introducción

3

I.

4

Instalación

1.1. Requerimientos de Hardware

4

1.2. Requerimientos de Software

4

1.3. Instalación del programa

4

II.

Manejo de la barra de menú

5

III.

Botones de comando

6

IV.

Módulos del sistema

7

4.1. Presentación

7

4.2. Identificación de la válvula y selección de unidades.

8

4.3. Introducción de datos (Presión y velocidad conocidas)

9

4.4. Introducción de datos {Presión y/o velocidad desconocidas)

10

4.5. Resultados

12

4.6. Presentación preliminar del reporte impreso.

13

4.7. Mensajes de error

13

4.8. Pantallas de ayuda

14

4.9. Abrir y guardar archivos

15

Anexos

16

INTRODUCCIÓN

El sistema para el cálculo de la fuerza generada por el disparo de una válvula de seguridad (SCFVS), es un módulo de ayuda al ingeniero, diseñado para facilitar el cálculo del empuje producido por el disparo de este tipo de válvulas. Su programación se basa en el paquete Fox Pro 2.6 R y su metodología de cálculo se rige por las recomendaciones que aparecen en el Apéndice II del código ASME B31.1. El usuario debe tener en cuenta que este programa sólo puede ser utilizado cuando el fluido de trabajo del sistema a analizar es compresible y que el fenómeno es modelado en estado estacionario. Si se desea obtener un valor más exacto de la fuerza resultante, se recomienda modelar el fenómeno en estado transitorio, utilizando paquetes de simulación de sistemas de tuberías como el CAESAR II R.

En este manual se explica como debe instalarse el paquete y el manejo de la barra de menú, se indican cuales son los diferentes comandos que posee y se hace una breve descripción de los distintos módulos que conforman el SCFVS (pantallas, reportes etc, anexos se presentan los formatos de los reportes impresos generados por el programa.

I.

INSTALACIÓN

1.1. Requerimientos de hardware - Computador con procesador 386 o superior. - 3.5 MB de espacio en el disco duro. - Impresora (opcional). 1.2. Requerimientos de software - Windows 3.1 x o Windows '95. 1.3. Instalación del programa Para instalar el programa entre en el sistema Windows luego inserte el disco de instalación en la unidad A del computador y. seleccione la opción "Ejecutar..." del menú "Archivo" la cual aparece en la barra de menú del administrador de programas. Ejecute el archivo instalar.exe y siga los pasos indicados por el programa de instalación. Si el proceso de instalación del programa culmina correctamente aparecerá un nuevo grupo de programa y el icono de identificación del paquete como se muestra en la figura 1.

Figura I. Grupo de programa e icono de identificación del SCFVS.

II. MANEJO DE LA BARRA DE MENU En la parte Superior de todas las pantallas que conforman el SCFVS aparece una barra de menú la cual muestra dos Opciones principales:

1)

Archivo: este menú contiene los comandos que permiten manipular los archivos creados por el usuario. Las distintas opciones que presenta son: -

Nuevo: Esta opción permite crear un documento de trabajo nuevo. Abrir: Permite trabajar con un documento previamente creado por el usuario. El SCFVS solamente abrirá los documentos que tengan una extensión del tipo, "fva".

-

Guardar: Permite guardar en el disco el documento de trabajo con su nombre actual.

-

Guardar como: Esta opción permite guardar el documento de trabajo con un nombre diferente al que posee. El SCFVS guarda todos sus documentos de trabajo con la extensión "fva" si se trata de guardar un documento con una extensión distinta a esta, el programa generará un mensaje de error.

-

Reporte: Mediante esta opción el usuario puede imprimir un reporte en el que aparecen los datos de la válvula de seguridad, las condiciones de operación y la fuerza resultante obtenida. Este comando sólo puede ser utilizado cuando el programa ha realizado el cálculo de la fuerza resultante.

-

Salir: Permite salir del SCFVS. En caso de que el documento de trabajo no haya sido salvado, el programa preguntará si desea salvar antes de finalizar la jornada de trabajo.

2)

Ayuda: Este menú permite obtener ayuda sobre los distintos módulos (pantallas) que conforman el programa. El contenido de la ayuda varia dependiendo de la pantalla que se encuentre activada.

III. BOTONES DE COMANDO Continuar

Este botón le permite al usuario acceder a la siguiente pantalla

Ayuda

Este comando permite obtener ayuda sobre la pantalla de trabajo activa.

Salir

Permite salir de la pantalla actual o del SCFVS. Dependiendo de la Situación.

Cancelar

Al seleccionar esta opción se regresa a la pantalla inmediata anterior.

Calcular

Esta opción lleva al usuario a la pantalla de resultados.

Imprimir

Este botón sólo aparece en la pantalla de resultados. El mismo permite generar un reporte impreso de los resultados.

Nuevos cálculos

Al igual que el botón "Imprimir" esta opción sólo aparece en la pantalla de resultados y permite al usuario realizar una nueva corrida del programa.

IV. MODULOS DEL SISTEMA EL SCFVS está compuesto por varios módulos (pantallas), las cuales se describen a continuación: 4.l.

Presentación Cuando se entra en el programa, aparece la pantalla de presentación del sistema. En ella hay 3 opciones. la primera permite obtener ayuda sobre el programa (botón ayuda), la segunda permite salir del sistema (botón Salir) la tercera sirve para acceder al programa en sí (botón Continuar). La pantalla de presentación se observa en la figura 2.

Figura 2. Pantalla de presentación del sistema.

4.2.

Identificación de la válvula y selección de unidades Esta pantalla es la que sigue a la presentación del programa. En ella el usuario debe introducir los datos de identificación de la válvula que va a estudiar (Nombre del proyecto, área donde esta ubicada la línea de tuberías, nombre de la línea de tuberías, nombre de la válvula, nombre del cliente y nombre del usuario). Además en esta pantalla se pueden elegir las unidades con que se desea trabajar los distintos datos requeridos por el programa para poder calcular la fuerza resultante del disparo de la válvula de seguridad. En la opción Presión y/o Velocidad se debe especificar si se conocen los datos de presión y/o velocidad en la descarga de la válvula. Si se desconoce al menos uno de estos datos entonces se debe seleccionar la opción desconocido. Por último, existen tres botones en la parte inferior de la pantalla. el primero permite obtener ayuda sobre la introducción de los datos y la selección de las unidades (botón Áyuda), el segundo sirve para salir del SCFVS (botón Salida) el tercero sirve para acceder a la siguiente pantalla (botón Aceptar). La figura 3 muestra la pantalla de identificación de la válvula y selección de unidades.

Figura 3. Pantalla de identificación de la válvula y selección de unidades.

4.3.

Introducción de datos (Presión y velocidad conocidos)

Figura 4. Variación hipotética de D.L.F. en el tiempo Si en la pantalla de identificación seleccionó Presión y o velocidad como conocido. Entonces al seleccionar Aceptar aparecerá esta pantalla, en donde se le pide al usuario que introduzca el valor de la presión estática en la descarga de la válvula. la velocidad del fluido en la descarga, el flujo másico,el área transversal de la descarga la presión atmosférica y el factor de carga dinámica (D.L.F) el cual sirve para compensar el hecho de que el disparo de la válvula es modelado en estado estacionario cuando en realidad es un fenómeno transitorio. El valor del D.L.F varía desde 2 hasta 1.1 y depende del tiempo de apertura de la válvula como se muestra en la figura 4. Por lo díficil que es calcular el D.L.F, se recomienda tomarlo como 2 (Es el peor de los casos). Los botones ubicados en la parte inferior de la pantalla permiten al operador acceder a la opción de ayuda al usuario (botón Ayuda), regresar a la pantalla de identificación de la válvula y selección de unidades (botón Cancelar) o realizar el cálculo de la fuerza generada por el disparo de la válvula de seguridad (botón)

Calcular). La pantalla de introducción de datos cuando la velocidad y la presión estática a la salida de la válvula son conocidas, se muestra en la figura 5.

Figura 5. Pantalla de introducción de datos. Velocidad y Presión estática a la salida de la válvula conocidas. 4.4.

Introducción de datos (Presión y/o velocidad desconocidos). Sólo vapor.

Si se selecciona la opción Presión y/o velocidad como "desconocido" en la pantalla de identificación de la válvula y selección de unidades, entonces al seleccionar Aceptar aparecerá una pantalla en la cual se debe indicar cuales son los datos conocidos del problema (Ver figura 6), para lo cual presenta tres opciones. Después de esta pantalla aparece la pantalla de introducción de datos, en ella se le pide al usuario que introduzca los valores del flujo másico, el área transversal de la descarga de la válvula, la presión atmosférica, la densidad del fluido, la entalpía de estancamiento a la entrada de la válvula, el factor de carga dinámica (D.L.F.) y la calidad del vapor.

Al igual que en la pantalla de introducción de datos cuan se conoce la velocidad y la presión estática en la descarga de la válvula, en esta pantalla existen los botones de Ayuda, Cancelar y Calcular cuyas funciones fueron explicadas en la sección anterior de este manual. En la figura 7 se muestra la pantalla de introducción de datos.

Figura 6. Selección de los datos conocidos.

Figura 7. Pantalla de introducción de datos. Velocidad y/o Presión estática a la salida de la válvula desconocida.

4.5.

Resultados En la pantalla de resultados se muestra el valor de la fuerza resultante producto del disparo de la válvula de seguridad cuyos datos fueron introducidos por el usuario en el programa. Además se presentan tres opciones: -

Imprimir: este botón permite generar un reporte impreso en el cual se muestran los datos introducidos por el usuario así como el valor de la fuerza resultante.

-

Nuevos Cálculos: esta opción permite al usuario la introducción de datos para el análisis de una nueva válvula de seguridad.

-

Salir: al seleccionar esta opción se sale del SCFVS. En la figura 8 se muestra la pantalla de resultados. En la figura 8 se muestra la pantalla de resultados.

Figura 8. Pantalla de resultados.

4.6.

Presentación preliminar del reporte impreso Cuando se selecciona la opción dc impresión en la pantalla de resultados (botón imprimir) se muestra la pantalla de presentación preliminar del reporte, en la cual se puede observar el formato del reporte antes de su impresión.. Cuando se desee imprimir desee imprimir, simplemente se selecciona el botón Aceptar y el programa mostrará las opciones de impresión. En la figura 9 se muestra la pantalla de presentación preliminar del reporte impreso.

Figura 9. Presentación preliminar del reporte impreso.

4.7.

Mensajes de error En algunos casos cuando se trate de ejecutar un comando u operación prohibida aparecerá una pantalla de error como la mostrada en la figura 10 en la cual se explica la causa del error y como solucionarlo.

Figura 10. Pantalla de error

4.8.

Pantallas de ayuda En el SCFVS existen varias pantallas de ayuda como la mostrada en la figura 11, las cuales sirven para aclarar las dudas que se le puedan presentar al usuario durante el uso del programa.

Figura 11. Pantalla de ayuda. 4.9

Abrir y guardar archivos El SCFVS permite salvar los documentos de trabajo creados por el usuario para poder ser consultados o modificados en otra ocasión. Esto se hace mediante los comandos Abrir, Guardar y Guardar como del menú Archivo, localizado en la parte superior izquierda de la pantalla.

Las pantallas de Abrir y Guardar se muestran figuras l2 y 13 respectivamente.

Figura 12. Pantalla de apertura de archivos

Figura 13. Pantalla de guardado de archivos.

ANEXOS

MODULOS PARA EL ANÁLISIS DE TUBERIAS ENTERRADAS

MANUAL DEL USUARIO

Realizado por: José Vicente Aguerrevere Tutor: Ing. Gonzalo Umérez

Índice Introducción

1

I.

Instalación del programa

2

II.

Manejo de las barras de menú

3

III.

Botones de comando

5

IV.

Presentación del programa

8

V.

Módulo de cálculo #1. Cálculo de espesores de tubería según la norma ANSI/ ASME B-31.4

VI. VII

8

Módulo de cálculo #2. Cálculo de espesores de tubería según la norma ANSI/ ASME B31.8

14

Módulo de cálculo #3. Cálculos de una línea enterrada

21

VIII Anexos

37

INTRODUCCION Este programa ha sido desarrollado para llevar a cabo con gran facilidad los cálculos más comunes de flexibilidad de líneas enterradas. Debido a la gran importancia que han cobrado hoy en día el cálculo de gasoductos, oleoductos y demás líneas de servicios que vayan bajo tierra. El programa consta de tres módulos de cálculos que resumen las actividades más frecuentes del diseñador de líneas enterradas. El primer módulo genera una lista de espesores normalizados de tuberías según la norma ANSI/ASME B-31.4, la cual es la empleada en el diseño de oleoductos, especificando las condiciones de operación de la línea. El segundo módulo genera una lista de espesores normalizados de tubería según la norma ANSI/ASME B-31.8, la cual es utilizada para el diseño de gasoductos. El tercer módulo presenta una serie de cálculos y análisis de flexibilidad comúnmente realizados en líneas enterradas. Al finalizar la sección de trabajo todos los módulos presentan la opción de generar un reporte impreso de los resultados. lo que es de gran utilidad para el diseñador. Este manual consta de la información necesaria para el manejo efectivo de los módulos de cálculo, dividiéndose en cuatro grandes bloques; el primer bloque le muestra al usuario las generalidades del programa como lo son el manejo de las barras de menú y los botones de comando, los otros tres bloques explican detalladamente el uso de cada uno de los módulos del programa. Es importante destacar que para la realización de los cálculos comunes de una línea enterrada es necesario cierto conocimiento de flexibilidad de tuberías así como de mecánica de los suelos, para ello junto con este programa circula un manual de análisis de flexibilidad de líneas enterradas, el cual cubre a cabalidad los aspectos más importantes del análisis de este tipo de sistemas.

I. INSTALACION Requerimientos de "hardware": - Computador con procesador 386 o superior. - 7MB de espacio en el disco duro. -Impresora (opcional). Requerimientos de "software": - Windows 3.1 o Windows'95 Procedimiento de instalación: Para instalar el programa debe entrar en el sistema de Windows, sitúese en el administrador de archivos (o ejecute la opción "RUN" si se encuentra bajo Windows'95), introduzca el disco de instalación # 1 y ejecute el archivo instalar. Exe. Una vez instalado el programa, el sistema crea una carpeta llamada tubería enterrada, y dentro de esta se encuentra el icono del archivo ejecutable (ver figura # 1). Para entrar al programa basta con hacer doble clic sobre el icono.

Figura # 1 Grupo de programa e icono del archivo ejecutable

I.

MANEJO DE LA BARRA DE MENÚ En la parte superior de todas las pantallas que conforman los módulos de cálculo de tuberías enterradas aparece una barra de menú la cual muestra las siguientes opciones principales: 1)

Archivo: Este menú contiene los comandos que permiten modificar los archivos creados por el usuario, las opciones que presenta son:

- Nuevo: Esta opción permite crear un documento de trabajo nuevo, refrescando todas las variables y colocándolas en su valor inicial. -

Abrir: Permite trabajar con un documento previamente creado por el usuario. Cada módulo de cálculo del programa de tuberías enterradas genera una extensión diferente, por tal motivo sólo permite utilizar archivos que presenten la extensión correcta.

- Guardar: Permite guardar en el disco el documento de trabajo con su nombre actual. Si se trabaja en el módulo de cálculo de espesores de tuberías según la norma B-31.4, el programa guardará los archivos con la extensión 314. Si se trabaja en el módulo de cálculo de espesores de tuberías según la norma B-31.8, el programa guardará los archivos con la extensión 318. Si se trabaja en el módulo de cálculo de una línea enterrada, el programa guardará los archivos con la extensión ENT. -

Guardar como: Permite guardar el documento de trabajo con un nombre diferente al actual, respetando la extensión dependiendo del módulo en el cual se trabaja.

-

Salir: Permite salir del módulo que se esté trabajando, y aparecerá la pantalla inicial del programa que permite escoger los distintos módulos de trabajo.

2)

Consultar: Esta opción general de la barra. de menú, sólo aparece cuando se trabaja en los dos módulos de cálculo de espesores de tubería según las normas ANSI/ASME B-31.4 y ANSI/ASME B-31.8. Las opciones que está presenta son: -

Consultar base de datos B-36.10: Esta opción le permite al usuario consultar la base de datos de la norma ANSI/ASME B-36.10, la cual contiene todas las dimensiones estandarizadas de tuberías de acero al carbono.

-

Añadir datos a B-36.10: Esta opción permite añadir datos de dimensiones de tuberías que no se encuentran en la norma ANSI/ASME B-36.10.

3)

Ayuda ?: El contenido de la ayuda depende del módulo bajo el cual se este trabajando, presentando estos datos e información de interés sobre el programa y la forma de utilizar el mismo.

- Acerca de Muestra información sobre los autores del programa.

III

BOTONES DEL COMANDO 1)

Para los módulo de cálculo de espesores de tubería según las normas B31.4 y B.31.8 se presentan los siguientes botones de comando Esta

opción

le

permite

al

usuario

identificar los datos de la línea que se esté analizando. Esta

opción

normalizados

calcula de

los

tubería

espesores para

los

diámetros especificados dependiendo de las condiciones de operación. Esta opción muestra por pantalla

los

resultados

de

obtenidos

del

cálculo

espesores. Esta opción muestra el reporte preliminar del informe del programa.

Esta opción permite imprimir el reporte del programa.

Esta opción le permite al usuario volver atrás a la pantalla principal, para poder modificar los datos. Esta opción permite salir del módulo de cálculo, preguntándole al usuario si desea guardar las últimas modificaciones de los datos.

2)

Para el módulo de cálculo de análisis de líneas enterradas. se presentan los siguientes botones de comandos: Esta opción le permite al usuario identificar los datos de la línea que se este analizando. Permite identificar el material de la tubería, dependiendo de la norma bajo la cual se esté trabajando. Permite una vez introducidos los datos de la línea en estudio, pasar a la siguiente pantalla.

Permite definir el espesor de la tubería con la que se está trabajando según la norma en uso.

Permite calcular los esfuerzos presentes en la sección completamente restringida de la tubería.

Permite calcular las cargas que impone el suelo sobre la tubería.

Permite calcular los parámetros de interes de la interacción entre el suelo y la tubería.

Permite volver a la pantalla principal para modificar los datos de la línea.

Muestra la presentación preliminar del reporte final del programa.

Permite imprimir el reporte final del programa.

Permite al usuario salir del módulo de análisis de tuberías enterradas y volver a la pantalla de presentación inicial.

Dentro de los módulos de análisis de tubería enterrada, se encuentran lo siguiente botones de comando: Calcula el espesor mínimo nominal de la tubería, según la norma con la que se esté trabajando y las condiciones de operación del sistema. Permite cambiar el espesor seleccionado en el paso anterior.

Permite consultar la base de datos ANSI/ASME B 36.10

Permite regresar a la pantalla de análisis del módulo de tuberías enterradas.

Calcula los esfuerzos presentes en la sección totalmente restringida de la tubería. Calcula la fuerza desarrollada sobre el anclaje virtual.

Dimensiona el anclaje requerido por la tubería. Presenta ayuda especifica a diferentes temas dependiendo del lugar donde se encuentre.

IV. PANTALLA DE PRESENTACION DEL PROGRAMA Una vez que se hace doble-click sobre el icono del programa aparece la pantalla de presentación (ver figura # 2), la cual le permite al usuario entrar a los distintos módulos de cálculo de tubería enterrada que el programa presenta.

Figura # 2. Pantalla de presentación del programa.

V.

MÓDULO DE CÁLCULO # 1, CALCULO DE ESPESORES DE TUBERÍA SEGUN LA NORMA ANSI/ASME B-31.4. Presionando el botón que dice B-31.4, se entra al módulo #1 (ver figura #3), el cual permite generar una lista de espesores de tubería según la norma ANSI/ASME B-31.4, para unas condiciones de operación específicas.

Figura # 3. Pantalla de datos del módulo de cálculo de espesores de tubería según la norma ANSI/ASME B-31.4. Una vez dentro del módulo, el programa le pide al usuario los siguientes datos: Condiciones de operación: -

Presión:

Representa la presión manométrica de operación del sistema, el valor a

introducir debe ser relativo a la unidad que se encuentra a su lado. El menú emergente de unidades que se encuentra a su lado también puede ser modificado presentando como valor por defecto “psig”.

-

Temperatura: Representa la temperatura de operación del sistema; el valor a introducir debe ser relativo a la unidad que se encuentra a su lado. El menú emergente de unidades que se encuentra a su lado también puede ser modificado presentando como valor por defecto '°F '.

Especificación de la tubería: -

Espesor por corrosión: Este valor depende del fluido de trabajo y de las condiciones de operación de la línea; el valor a intoducir debe ser relativo a la unidad que se encuentra a su lado, siendo esta por defecto “plg”.

-

Tolerancias por roscas y muescas: Este valor lo especifica la norma en virtud de que la tubería sea roscada o presente entallas; el valor a intoducir debe ser relativo a la unidad que se encuentra a su lado, siendo esta por defecto 'plg'.

Especificación del material: -

Costura: La norma ANSI/ASME B-31.4 diferencia los materiales según la costura que estos presentan; siendo la costura por defecto 'seamless' o sin costura.

-

Material: Presenta un menú emergente con una lista de opciones de materiales que según la norma ANSI/ASME B-31.4 cumplen con la condición de costura especificada antes. También presenta la posibilidad de que el usuario defina el material escogiendo del menú emergente la opción 'otro'.

-

Factor de eficiencia de la soldadura E: Depende de la costura del material y del proceso de elaboración de la tubería. Este valor se obtiene automáticamente al definir la costura del material.

-

SMYS: Representa la resistencia mínima a la fluencia del material (según sus siglas en inglés), siendo automáticamente calculado por el programa al definir el material de la tubería.

-

Diámetro inicial y final: Representan el rango de diámetros normalizados para el cual se calcularán los espesores de tuberías. Si sólo se requiere un diámetro específico, el diámetro inicial y final deben ser iguales. Una vez introducidos los datos que el programa requiere para calcular los espesores de tuberías de los diámetros especificados, el programa accede a la pantalla de resultados (ver figura #4).

Figura # 4. Pantalla de resultados del programa de cálculo de espesores de tubería según ANSI/ASME B-31.4

Dentro de la pantalla de resultados, el programa ofrece las siguientes opciones: Mostrar resultados: Oprimiendo este botón, el programa accede a una pantalla emergente (ver figura #5), la cual muestra los espesores de tuberías nominal seleccionados para los diámetros especificados.

Figura # 5. Pantalla emergente de resultados La columna denominada como tipo Identifica si las dimensiones de la tuberías estandarizadas según la norma ANSI/ASME B-36.10 existen para tuberías normalizadas según la norma API 5L. La columna denominada como Iden, identifica la tubería según la denominación "standard" (STD), extra-standard" (XS) o "extra-extra-standard" (XXS). La columna denominada como SCH identifica la tubería según el "schedule" que ésta tiene Eje: 20. 40, 80 160. Es importante destacar que el tipo de tubería que el programa selecciona depende del material de la misma, es decir si se escoge una material API 5L Gr B el programa seleccionará únicamente tuberías normalizadas según la norma API SL. Si por el contrario se escogen materiales ASTM, el programa seleccionará tuberías identificadas según la denominación "standard" (STD), "extra-standard" (XS) o "extra-extra-standard" (XXS) o bajo la denominación "SCH".

En caso de que el espesor mínimo requerido por el sistema sea superior al máximo espesor nominal especificado según la norma ANSI/ASME B-36.10 para un diámetro en particular, el programa mostrará en la pantalla emergente de la figura # 4 las columnas correspondientes a diámetro nominal y espesor mínimo, dejando en blanco las restantes columnas. Mostrar reporte: La opción mostrar reporte muestra por pantalla la presentación preliminar del reporte generado por el programa (ver figura # 6). Imprimir reporte: La opción imprimir reporte le permite al usuario imprimir el reporte general generado por el programa. Modificar datos: Esta opción le permite al usuario volver a la pantalla de datos del programa (Fig. #3), y de esta manera se pueden modificar los datos que se considere necesario. Salir: Esta opción le permite al usuario salir del programa de cálculo de espesores de tubería según la norma ANSI/ASME B-31.4, volviendo a la pantalla de presentación del programa (Figura # 2) donde se puede entrar a cualquiera de los otros módulos.

Figura # 6. Presentación preliminar del reporte de programa

Pantalla de ayuda del programa: Desde la barra de menú del programa se puede entrar a la pantalla de ayuda del mismo (ver figura #7), la cual le muestra al usuario información general de la norma ANSI/ASME B-31.4.

Figura #7. Ayuda del programa de cálculo de espesores de tubería

VI

MODULO DE CALCULO # 2, CALCULO DE ESPESORES DE TUBERÍA SEGUN LA NORMA ANSI/ASME B-31.8. Presionando el botón que dice B-31.8 se entra al módulo # 2 (ver figura # 8), el cual permite generar una lista de espesores de tubería según la norma ANSI/ASME B31.8 para unas condiciones de operación específicas.

Figura # 8. Pantalla de datos del módulo de cálculo de espesores de tubería según la norma ANSI/ASME B-31.8 Una vez dentro del módulo, el programa le pide al usuario los siguientes datos: Condiciones de operación: -

Presión: Representa la presión manométrica de operación del sistema; el valor a introducir debe ser relativo a la unidad que se encuentra a su lado. El menú emergente de unidades que se encuentra a su lado también puede ser modificado presentando como valor por defecto 'psig '.

-

Temperatura: Representa la temperatura de operación del sistema el valor a introducir debe ser relativo a la unidad que se encuentra a su lado. El menú emergente de unidades que se encuentra a su lado también puede ser modificado presentando como valor por defecto '°F '.

Especificación del material: -

Material: Presenta un menú emergente con una lista de opciones de materiales que ofrece la norma ANSI/ASME B-31.8. También presenta la posibilidad de que el usuario defina el material escogiendo del menú emergente la opción 'otro',

-

SMYS: Representa la resistencia mínima a la fluencia del material (según sus siglas en inglés), siendo automáticamente calculado por el programa al definir el material de la tubería.

Especificación de la tubería: -

Espesor por corrosión: Este valor depende del fluido de trabajo y de las condiciones de operación de la línea; el valor a introducir debe ser relativo a la unidad que se encuentra a su lado, siendo esta por defecto 'plg'

-

Tolerancia de fabricación: Representa el porcentaje de espesor de la tubería que se descuenta debido a los procesos de fabricación de la misma.

Factores de diseño: -

Factor de diseño F: El código ANSI/ASME B-31.8 especifica este factor de diseño, el cual depende de la cantidad de personas que se encuentren en las cercanías de la línea. Para determinar el factor de diseño F, es necesario calcular el número de edificaciones de ocupación humana en una milla de longitud de la tubería, tomando en cuenta un área de 1/4 milla de ancho en la cual la tubería pase por el centro.

Las diferentes opciones del factor de diseño que la norma ofrece son: Location Class 1: Cualquier sección de una milla de longitud que tenga menos de 10 edificaciones de ocupación humana. Ejemplo de esta son áreas como desiertos, montañas, granjas y zonas muy poco pobladas. Dentro de esta categoría existen dos sub divisiones las cuales se diferencian únicamente por la presión de prueba a la que serán sometidas las tuberías. División 1: Las tuberías ubicadas dentro de esta división deben ser probadas hidrostáticamente a una presión de 1 ,25 veces la presión de operación del sistema. División 2: Las tuberías ubicadas dentro de esta división deben ser probadas neumáticamente ya sea con aire o gas a una presión de l.1 veces la presión máxima de operación, o hidrostáticamente a una presión de al menos 1.1 veces la máxima presión de operación. Location Class 2: Cualquier sección de una milla de longitud que tenga mas de 10 pero menos de 46 edificaciones de ocupación humana. Ejemplo de esta son zonas cercanas a pueblos y ciudades, y zonas industriales. Location Class 3: Cualquier sección de una milla de longitud que tenga 46 o más edificaciones de ocupación humana, excepto cuando las características de "Location Class 4" prevalezcan. Ejemplos de ésta son zonas sub-urbanas, centros de compra y áreas residenciales. Location Class 4: Areas con múltiples edificaciones de más de 4 pisos áreas donde se presente tráfico pesado o denso, con numerosas tuberías de servicios enterradas. -

Factor de eficiencia de la soldadura E: Depende de la costura del material y del proceso de elaboración de la tubería. Este valor se obtiene automáticamente al definir el material.

-

Factor de temperatura T: Depende de la temperatura a la que esté trabajando la tubería. El programa lo calcula automáticamente al introducir el valor de la temperatura del sistema.

-

Diámetro inicial y final: Representan el rango de diámetros normalizados para el cual se calcularán los espesores de tuberías. Si sólo se requiere un diámetro específico, el diámetro inicial y final deben ser iguales. Una vez insertados los datos que el programa requiere para calcular los espesores de tuberías de los diámetros especificados, el programa entra a la pantalla de resultados (ver figura # 9).

Figura # 9. Pantalla de resultados del programa de cálculo de espesores de tubería según ANSI/ASME B-31.8

Dentro de la pantalla de resultados, el programa ofrece las siguientes opciones: Mostrar resultados: Oprimiendo este botón, el programa muestra una pantalla emergente (ver figura # 10), la cual muestra los espesores de tuberías nominal seleccionados para los diámetros especificados.

Figura #10. Pantalla emergente de resultados La columna denominada como tipo, identifica si las dimensiones de la tuberías estandarizadas según la norma ANSI/ASME B-36.10 existen para tuberías normalizadas según la norma API 5L. La columna denominada como Iden, identifica la tubería según la denominación "standard" (STD) "extra-standard" (XS) o "extra-extra-standard" (XXS). La columna denominada como SCH identifica la tubería según el "schedule" que esta tiene Ejem: 20, 40, 80 160. . Es importante destacar que el tipo de tubería que el programa selecciona depende del material de la misma, es decir si se escoge una material API 5L Gr B el programa seleccionará únicamente tuberías normalizadas según la norma API 5L. Si por el contrario se escogen materiales ASTM, el programa seleccionará tuberías identificadas según la denominación "standard" (STD), "extra-standard" (XS) o "extra-extrastandard" (XXS) ó bajo la denominación "SCH".

En caso de que el espesor mínimo requerido por el sistema sea superior al máximo espesor nominal especificado según la norma ANSI/ASME B-36.10 para un diámetro en particular, el programa mostrará en la pantalla emergente de la figura # 9 las columnas correspondientes a diámetro nominal y espesor mínimo, dejando en blanco las restantes columnas. Mostrar reporte: La opción mostrar reporte muestra por pantalla la presentación preliminar del reporte generado por el programa (ver figura # 10). Imprimir reporte: La opción imprimir reporte le permite al usuario imprimir el reporte general generado por el programa. Modificar datos: Esta opción le permite al usuario volver a la pantalla de datos del programa (figura # 8), y de esta manera se pueden modificar los datos que se considerenecesario. Salir: Esta opción le permite al usuario salir del programa de cálculo de espesores de tubería según la norma ANSI/ASME B-31.4, volviendo a la pantalla de presentación del programa (figura # 2) donde se puede entrar a cualquiera de los otros módulos.

Figura # 11. Presentación preliminar del reporte de programa.

Pantallas de ayuda del programa: Desde la barra de menú del programa se puede entrar a la pantalla principal de la ayuda del mismo (ver figura #12), la cual le muestra al usuario las diferentes opciones de ayuda sobre la norma ANSI/ASME B-31.8.

Figura # 12. Pantalla principal de la ayuda

Dentro de las alternativas de la ayuda del programa se encuentran la siguientes: Información general de la norma (ver figura #12):

Figura # 13. Información general de la norma ANSI/ASME B-31.8 Las otras alternativas del menú de la ayuda fueron explicadas anteriormente cuando se explicó el factor de diseño F.

VII. MÓDULO DE CÁLCULO # 3, CÁLCULOS DE UNA LÍNEA ENTERRADA Presionando el botón que dice ENT se entra al módulo # 3 (ver figura #14) este módulo le permite al usuario realizar los cálculos manuales más comúnmente utilizados a la hora de diseñar una línea enterrada, ya sea un oleoducto o un gasoducto

Figura # 14, Pantalla de datos del módulo de cálculos de una línea enterrada Dentro de esta pantalla se definen los datos más importantes de la línea: - Norma a utilizar: El programa presenta la opción de escoger entre las normas ANSI/ASME B-31.4 la cual se utiliza a la hora de diseñar oleoductos y la norma ANSI/ASME B-31.8 la cual es utilizada a la hora de diseñar gasoductos.

-

Datos de la línea:

-

Presión de operación: Representa la presión manométrica de operación del sistema; el valor a introducir debe ser relativo a la unidad que se encuentra a su lado. El menú emergente de unidades que se encuentra a su lado también puede ser modificado presentando como valor por defecto 'psig'.

-

Temperatura de operación: Representa la temperatura de operación del sistema; el valor a introducir debe ser relativo a la unidad que se encuentra a su lado. El menú emergente de unidades que se encuentra a su lado también puede ser modificado presentando como valor por defecto '°F'.

-

Temperatura de instalación: Representa la temperatura promedio de la instalación de la línea; el valor a introducir debe ser relativo a la unidad que se encuentra a su lado. El menú emergente de unidades que se encuentra a su lado también puede ser modificado presentando como valor por defecto '°F'.

-

Diámetro nominal: Representa el valor del diámetro nominal de la línea. El programa presenta un menú emergente con los diversos diámetros nominales estandarizados según la norma ANSI/ASME B-36.10.

-

Espesor por corrosión: Este valor depende del fluido de trabajo y de las condiciones de operación de la línea; el valor a introducir debe ser relativo a la unidad que se encuentra a su lado, siendo esta por defecto “plg”.

-

Identificación del material: Al presionar este botón el programa le presenta al usuario una pantalla emergente que contiene los materiales especificados por la norma bajo la cual se este trabajando. Es importante definir con anterioridad la norma bajo la que se trabaja.

Si se trabaja bajo la norma ANSI/ASME B-31.4, el programa presenta la siguiente pantalla emergente de materiales (ver figura # 15).

Figura # 15 Pantalla emergente de identificación del material. (ANSI/ASME B31.4) Al igual que como se explicó anteriormente en el módulo #1 la norma ANSI/ASME B31.4 presenta una lista de materiales divididos según su costura En función del material y la costura del mismo seleccionado. el programa le presenta al usuario el factor de eficiencia de la soldadura E y la resistencia mínima a la fluencia SMYS. Si se trabaja bajo la norma ANSI/ASME B-31.8 el programa presenta la siguiente pantalla emergente de materiales (ver figura #16).

Figura #16. Pantalla emergente de materiales.(ANSI/ASME B31.8)

Al igual de como se explico en el módulo #2, el programa presenta una lista de materiales estandarizados según la norma ANSI/ASME B-31.8. Para los cuales en función del material el programa le presenta al usuario el factor de eficiencia de la soldadura E y la resistencia mínima a la fluencia SMYS. -

Propiedades del suelo:

-

Densidad: Representa la densidad promedio del trayecto donde se encuentra la línea enterrada; el valor a introducir debe ser relativo a la unidad que se encuentra a su lado, presentando como valor por defecto 'lb/ft"3'.

-

Coeficiente de fricción: Representa el coeficiente de fricción promedio del trayecto donde se encuentra la línea enterrada. Si se presiona el botón que se encuentra a su lado el programa presenta una pantalla emergente con valores comunes del coeficiente de fricción para diferentes tipos de suelos.

-

Propiedades del material:

-

Coeficiente lineal de expansión térmica: Representa el coeficiente lineal de expansión térmica del material de la tubería. Para aceros se utiliza comúnmente el valor de 6.5E-6 in/inF: el valor a introducir debe ser relativo a la unidad que se encuentra a su lado, presentando por defecto 'in/inF',

-

Módulo de elasticidad de la tubería: Representa el módulo de elasticidad del material de la tubería. Para aceros se utiliza comúnmente el valor de 27.9E+8 psi. El valor a introducir debe ser relativo a la unidad que se encuentra a su lado, presentando como valor por defecto 'psi '.

-

Módulo de poisson: Representa el valor del módulo de poisson del material de la tubería. Para los aceros se utiliza comúnmente el valor de 0.3.

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Factor de diseño F: Este factor sólo se define cuando se trabaja bajo la norma ANSI/ASME B-31,8, y depende de la cantidad de edificaciones de ocupación humana que se encuentren en las cercanías de la línea. Para mayor información sobre este punto consulte el módulo # 2 de cálculo de espesores de tubería según la norma ANSI/ASME B-31.8. Una vez introducidos todos los datos de la línea, presionando el botón que dice continuar se accede a la pantalla de opciones de análisis de una línea enterrada. (ver figura # 17). Dentro de esta pantalla se le presentan al usuario (as diferentes opciones de cálculos manuales que se le realizan a una línea enterrada. Es importante destacar que esta opciones de análisis deben ser realizadas en el orden que el programa propone, ya que las opciones posteriores necesitan datos que se definen en las secciones anteriores del análisis.

Figura #17. Pantalla de opciones de análisis de una línea enterrada.

Lo primero que se realiza en la línea enterrada es definir el espesor de la tubería que se necesita. Para ello se presiona el botón # 1 el cual le permite al usuario entrar a la pantalla de cálculo de espesores de la línea (ver figura # 18). Una vez dentro de esta pantalla se presentan varias opciones: La primera de ella es calcular el espesor de pared mínimo requerido por el sistema, para lo cual el programa, en función de la norma bajo la que este trabajando, calcula el mínimo espesor necesario por el sistema y en función de este escoge el espesor inmediato superior que cumpla con los requerimientos.

Figura # 18. Pantalla del calculo de espesor de la línea.

Si el usuario desea introducir, otro espesor superior al seleccionado por el computador, debe seleccionar la opción Introducir otro espesor, la cual muestra una pantalla (ver figura # 19) en la que se puede escoger otro espesor para la tubería.

Figura #19. Selección de otro espesor

La segunda de las opciones de análisis que se le presenta al usuario es el cálculo de los esfuerzos resultantes en la sección restringida de la tubería (ver figura # 20)

Figura #20. Pantalla de calculo de esfuerzos en la sección restringida de la tubería Presionando el botón que dice Calcular esfuerzos, el programa calcula automáticamente los esfuerzos resultantes sobre la sección completamente restringida de la tubería. En caso de que el esfuerzo resultante sea superior al esfuerzo admisible, el programa mostrará un mensaje de advertencia al usuario Para resolver el problema de que el esfuerzo resultante sea mayor al esfuerzo admisible el programa presenta varias alternativas dentro del menú de ayuda del mismo. (ver menú de ayuda). Luego de calcular los esfuerzos es necesario calcular la fuerza resultante sobre el anclaje virtual de la tubería. Para ello se presiona el botón que dice Calcular Fuerza Anc Virt. y el programa calcula la fuerza resultante sobre el mismo.

A veces es necesario colocar un anclaje de fin de línea para restringir los movimientos que ocurren en ese punto. El programa le facilita al usuario las herramientas básicas para el dimensionamiento del mismo. Presionando el botón que dice Dimensionar el anclaje, el programa accede a una pantalla emergente que permite dimensionar el anclaje (ver figura # 21).

Figura # 21. Dimensionamiento del anclaje de líneas enterradas Dentro de esta pantalla el usuario debe introducir el tipo de suelo promedio que se encuentra alrededor de la zona donde se colocará el anclaje. Una vez introducido este dato el programa muestra el valor de la presión segura de soporte del suelo seleccionado con anterioridad, con la cual junto a la fuerza sobre el anclaje virtual definida en la pantalla anterior el programa calcula el área de soporte requerida por el anclaje. al presionar el botón que dice Dimensionar anclaje.

Presionando el botón de ayuda, el programa muestra un arreglo típico de anclajes de fin de línea utilizado comúnmente para gasoductos y oleoductos.

La tercera de las opciones de análisis que se le presenta al usuario es el calcular las cargas que el suelo impone sobre la tubería, según la teoría de la carga prismática (ver figura # 22).

Figura # 22. Cargas impuestas por el suelo sobre la tubería

Dentro de esta pantalla. el usuario debe introducir las dimensiones de la zanja donde se encuentra enterrada la tubería. También se pueden modificar las propiedades del suelo. y se deben introducir las características del contenido de la tubería para que el programa pueda calcular automáticamente el peso total de la misma. Una vez introducidos estos datos el programa calcula las cargas impuestas por el suelo sobre la tubería, así como la fuerza de fricción axial que actúa sobre la superficie de la misma. Si se desea una mayor información sobre la teoría de la carga prismática. se puede consultar la ayuda del programa o manual de análisis de tuberías enterradas que viene adjunto a este programa. La cuarta opción de análisis que el programa le presenta al usuario es el cálculo de los parámetros de interés de la interacción suelotubería que se presenta a lo largo de toda la línea. (ver figura # 23).

Figura # 23. Cálculo de la interacción suelo-tubería

Dentro de esta pantalla el usuario debe definir dos nuevas propiedades del suelo, como lo son el ángulo interno de fricción y el coeficiente de presión lateral del suelo Ko. El programa trae como valor pre-definido del coeficiente de presión lateral del suelo Ko=0.5, el cual es el valor más comúnmente usado para la mayoría de los suelos; en el caso del ángulo interno de fricción el programa muestra los valores más comunes para diversos tipos de suelo dentro de la ayuda. Luego de definidas las propiedades del suelo, se debe establecer si la fuerza de fin de línea Q tiene un valor apreciable o despreciable. Se considera que la fuerza de fin de línea Q es despreciable cuando la tubería sale a la superficie sin presentar cambios abruptos de dirección en la misma, por el contrario si esta presenta cambios bruscos de dirección en la salida entonces se considera que la misma es apreciable. Después de definir si la fuerza de fin de línea Q es apreciable o despreciable se procede a calcular la longitud de la sección activa de la tubería, esta sección activa se crea en la tubería cuando el sistema entra en operación, expandiéndose el extremo de la misma hasta el punto de que la fuerza de fricción axial compense la fuerza de expansión de la tubería. (ver figura # 24).

Figura # 24. Longitud de la sección móvil de la tubería

Luego se procede a calcular la fuerza lateral del suelo. la cual tiene la característica de comportarse como un elemento visco-elástico, es decir para pequeños desplazamientos la fuerza generada por el suelo es directamente proporcional al desplazamiento (comportándose como un elemento elástico) .pero luego de alcanzado el valor de fluencia del suelo el mismo se comporta como un elemento plástico ya que la fuerza entregada por el suelo pasa a ser constante sin depender del desplazamiento. Basándose el programa en la teoría del empuje de los suelos de Rankine, se procede a calcular la fuerza lateral pasiva del suelo U por unidad de longitud de fa tubería (ver figura # 25).

Figura # 25. Fuerza lateral del suelo U, por unidad de longitud de la tubería Una vez calculada esta fuerza el programa calcula automáticamente el valor de la constante de elasticidad lateral del suelo K, basándose en el conocimiento del desplazamiento necesario para alcanzar afluencia del suelo. Si se desea más información sobre la teoría se recomienda consultar el manual de análisis de tuberías enterradas que viene adjunto a este programa. Si se definió que la fuerza de fin de línea Q tiene un valor apreciable es por que la tubería presenta un cambio brusco de dirección y en dicho punto la interacción con el suelo puede traerle problemas al sistema.

Para estos casos, el programa permite analizar la entrada vertical del sistema como un modelo equivalente de viga en voladizo. Mediante el cual se analiza de una forma bastante conservadora el comportamiento de dicho punto. Para poder obtener mayor información sobre el modelo de la viga en voladizo, presione el botón de ayuda que se encuentra dentro de la pantalla del análisis de la entrada vertical del sistema (ver figura # 26).

Figura # 26. Ayuda del programa sobre el modelo de la viga en voladizo Una vez dentro de la pantalla de análisis del modelo de la viga en voladizo (ver figura # 27) el programa calcula la fuerza de fin de línea a, el desplazamiento de fin de línea "y" y el momento resultante sobre el codo de la entrada vertical de la tubería según el modelo de la viga en voladizo.

Figura # 27 Pantalla de análisis de la entrada vertical del sistema Para analizar estos resultados se presiona el botón de análisis y recomendaciones, el cual genera una pantalla emergente (ver figura # 28) que contiene los resultados del análisis de ese punto de la tubería y las recomendaciones que se deben llevar a cabo. No se debe olvidar que la teoría del análisis de la entrada vertical del sistema según el modelo de la viga en voladizo, está basado en un modelo equivalente estáticamente el cual tiene restricciones y no aplica para todos los casos, ya que si por ejemplo el desplazamiento de fin de línea es considerablemente superior al desplazamiento requerido para alcanzar fluencia por el suelo entonces se sobrestima los valores resultantes de las fuerzas y momentos sobre la entrada vertical del sistema. Si se desea obtener mas información sobre la teoría del modelo de la viga en voladizo se debe consultar el manual anexo de análisis de líneas enterradas.

Figura # 28. Pantalla de análisis del modelo de la viga en voladizo Luego de pasar por las cuatro opciones del análisis del programa de tubería enterrada, el programa permite generar e imprimir un reporte con todas las características básicas del análisis de la línea. (ver figura # 29).

Figura # 29. Reporte general del programa Pantallas de ayuda del programa: Desde la barra de menú del programa se puede entrar a la pantalla principal de la ayuda del mismo (ver figura # 30) desde la cual se puede escoger alguno de los múltiples tópicos de la ayuda que presenta el programa.

Figura # 30. Pantalla de ayuda del programa de análisis de líneas enterradas

Si se desea obtener mas información sobre el análisis de flexibilidad de líneas enterradas, se debe consultar el manual anexo del mismo tópico que viene con este programa. VIII.

ANEXOS: A continuación se presenta una muestra de los formatos impresos que generan los diversos módulos del programa: El primer formato es el generado por el módulo de cálculo de espesores de tubería según la norma ANSI/ASME B-31.4. El segundo formato es el generado por el módulo de cálculo de espesores de tubería según la norma ANSI/ASME B-31.8. El tercer formato es el generado por el módulo de análisis de líneas enterradas.

Manual Flexibilidad y Soporteria INE

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