Recipientes a Presion

Recipientes sometidos a Presión Ing. Néstor Aníbal García

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Concepción del Uruguay

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INTRODUCCION En todo tipo de industrias nos encontramos con algún tipo de recipiente sometido a presión. Podemos clasificar a los recipientes de la siguiente manera: Recipientes a presión Recipientes a presión interna Sin fuego

Recipientes a presión externa

De paredes delgadas De paredes gruesas

Con fuego

Calderas

ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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INTRODUCCION Apelando a la geometría podemos clasificarlos de la siguiente manera: Recipientes Recipientes cilíndricos

Verticales

Recipientes esféricos

Horizontales

Para el diseño de un recipiente a presión se debe conocer: la temperatura y presión de trabajo, el fluido contenido, el ambiente externo, etc ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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INTRODUCCION

Hay distintas normas para el diseño y fabricación de recipientes a presión El código A.S.M.E. en su sección VIII, división 1, abarca todo lo relacionado con la Ingeniería, Fabricación y Control de Calidad, de Recipientes sometidos a Presión Tensión Admisible: A temperaturas por debajo del rango de “creep” (deslizamiento), la máxima tensión admisible para materiales ferrosos es la menor de las siguientes: a) 25% σR a la temp. ambiente

b) 25% σR a la temp. de trabajo

c) 62,5% σ f a la temp. ambiente

d) 62,5% σ f a la temp. de trabajo

En general, a menos de 340ºC a=b y siempre < c ó d ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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PARTES DEL RECIPIENTE C C C B

A

D

C

D P: Presión interna o externa T: Temperatura

B: Cabezales (Chapa) A: Envolvente (Chapa o caño) C: Conexiones (Cupla-Niple-Niple y Brida) D: Soportes Soldaduras: Características físicas y químicas similares a las del recipiente, nunca inferiores ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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RECIPIENTES A PRESION INTERNA Envolventes Cilíndricas SL: Tensión longitudinal SC: Tensión circunferencial SR: Tensión Radial

Para espesores relativamente chicos: SL y SC son uniformes a través del espesor de la pared y se SR desprecia ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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RECIPIENTES A PRESION INTERNA Envolventes Cilíndricas Tensión circunferencial

F = A PP = 2RLP F 2PRL PR Sc = = = A 2Lt t

(1)

Tensión longitudinal

F = A PP = πR P 2

2 P R PR F π SL = = = 2t A 2πRt

(2)


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RECIPIENTES A PRESION INTERNA Envolventes Cilíndricas Espesores Tomaremos en cuenta sólo la Tensión Circunferencial ya que:

S c ≅ 2SL

Para t ≤ 0.5R P ≤ 0.385 S.E PR t= SE − 0.6P

Donde : S : Tensión Admisible E : Eficiencia de la Soldadura

(3)

Donde : P : Presión de Diseño R : Radio interior


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RECIPIENTES A PRESION INTERNA Envolventes Cilíndricas Espesores También podemos expresar la ecuación (3) en función del Radio Exterior (R0)

PR0 t= SE + 0.4P

Y agregando un sobre-espesor de seguridad para la corrosión C, la (3) y la (4), quedan:

PR t= +C SE − 0.6P

(4)

(5)

PR0 t= +C SE + 0.4P

(6)

Para casos particulares, se fijan espesores mínimos ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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RECIPIENTES A PRESION INTERNA Cabezales - Espesores Cabezales Semiesféricos

PL tc = +C 2SE − 0.2P PL0 tc = +C 2SE + 0.8P

L0

Para t ≤ 0.356L y P ≤ 0.665SE donde : L : Radio interior del Cabezal L 0 : Radio exterior del Cabezal ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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RECIPIENTES A PRESION INTERNA Cabezales - Espesores Cabezales Semielípticos

PDk tc = +C 2SE − 0.2P PD0 k tc = +C 2SE + 2P (k − 0.1) 2 ⎡ 1 ⎛D⎞ ⎤ donde : k = ⎢2 + ⎜ ⎟ ⎥ 6 ⎢⎣ ⎝ 2h ⎠ ⎥⎦ ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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RECIPIENTES A PRESION INTERNA Cabezales - Espesores Cabezales Toriesféricos

PLM tc = +C 2SE − 0.2P PL 0M +C tc = 2SE + 2P(M − 0.2)

1 ⎛⎜ L ⎞⎟ donde : M = ⎜ 3 + 4⎝ r ⎟⎠ ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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RECIPIENTES A PRESION INTERNA Cabezales - Espesores Cabezales Cónicos

PD tc = +C 2Cosα(SE − 0.6P ) PD0 tc = +C 2Cosα(SE + 0.4P )

donde : α ≤ 30º

Es necesario colocar refuerzos en la transición de la unión envolvente-cono ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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RECIPIENTES A PRESION INTERNA Cabezales - Espesores Cabezales Toricónicos Se utilizan cuando α > 30º También cuando α ≤ 30º y no quieren colocarse refuerzos. El espesor en el Sector Tórico, se determina por la fórmula para cabezales toriesféricos, reemplazando L por: D

L=

1

2Cosα

donde D1 = D − 2r (1 − Cosα ) El espesor de la parte Cónica será determinado por la fórmula del Cabezal Cónico, utilizando D1 en lugar de D ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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RECIPIENTES A PRESION INTERNA Cabezales - Espesores Cabezales Planos


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RECIPIENTES A PRESION INTERNA Cabezales - Espesores Cabezales Planos


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RECIPIENTES A PRESION INTERNA Cabezales - Espesores Cabezales Bridados


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RECIPIENTES A PRESION INTERNA Cabezales - Espesores Cabezales Planos y Bridados Los cabezales planos y las bridas se determinan también por los lineamientos del Código ASME Sección VIII, División 1. Como también las soldaduras de los cabezales a las bridas.


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RECIPIENTES A PRESION

Conexiones

En general, el espesor requerido para las conexiones, no será menor al espesor de cálculo de la envolvente (o cabezal), sobre la que esta fijada, tomando para el cálculo una eficiencia E=1, más el sobre-espesor por corrosión Como excepción a la regla anterior, están los cuellos de las Entradas de Hombre Tipo de Conexiones: Roscadas: Sólo son aceptadas las cuplas (Rosca hembra) Niples: Es un tubo liso (pueden vincularse a otro accesorio, como ser un codo, etc.) Bridada: Es un tubo liso al que se le suelda una brida ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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Conexiones


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Conexiones


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Conexiones

Los accesorios de las conexiones NO SE CALCULAN, SE SELECCIONAN, ya que la Norma A.N.S.I., es aceptada por A.S.M.E. Por Ejemplo:

ANSI B16.5: Bridas forjadas para cañerías ANSI B16.9: Codos, Te, Reducciones, etc. para soldar a tope


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Conexiones

Cuando hacemos un orificio en la envolvente (o los casquetes), debilitamos la misma. Además se producen concentraciones de tensiones a los costados del orificio. Se debe reemplazar el área del orificio (que fue quitada), por la que aporta un refuerzo, que por lo general se hace del mismo espesor que la envolvente (o cabezal) y de un diámetro D=2d Todas las aberturas deben reforzarse, con las siguientes excepciones:

Conexiones de caños de 3” y menores en recipientes de hasta t=3/8” Conexiones de caños de 2” y menores en recipientes de t>3/8” ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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Conexiones

En general, el área del refuerzo debe ser, como mínimo: A=d.tr .F donde: d: diámetro de la conexión t r : espesor requerido de la envolvente para E=1 F: factor de corrección para compensar las variaciones de las tensiones en los diferentes planos

X


X

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Eficiencia de las juntas soldadas Categoría de las juntas soldadas

Categoría A: - Costuras longitudinales (envolventes, conexiones, cámaras de comunicación) - Costuras en cabezales y transiciones - Costura circunferencial de unión de envolvente y cabezal semiesférico ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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Eficiencia de las juntas soldadas Categoría de las juntas soldadas

Categoría B: - Costuras circunferenciales de unión de virolas entre si, virola-cabezal (excepto el semiesférico) Categoría C: - Uniones envolventes, cabezales o transiciones con bridas, o placas planas y placas tubulares Categoría D: - Unión de conexiones a cabezales, envolventes, placas planas y placas tubulares ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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Eficiencia de las juntas soldadas

Radiografiado Se utiliza para el detectado de fallas en soldaduras a tope, o sea las soldaduras de Categorías A y B Los tipos de fallas detectadas son:

Inclusión de poros Inclusión de escorias Falta de penetración Falta de fusión Fisuras

Si las juntas son radiografiadas o no, influye sobre la eficiencia de la soldadura E


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Eficiencia de las juntas soldadas


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Eficiencia de las juntas soldadas Radiografiado


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RECIPIENTES A PRESION EXTERIOR

Los casos más comunes se dan en recipientes sometidos a vacío (presión negativa) y en recipientes con camisas de vapor


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Se utilizan dos factores de cálculo: Factor A: Depende de la relación D0/t y L/D0 Factor B: Depende del Factor A y del módulo de elasticidad del material (E) Se obtienen de gráficas hechas para cada material L: Largo total de diseño, que se toma como el mayor valor de: La distancia entre líneas de tangente de 2 cabezales, sumando 1/3 de la profundidad del cabezal por cada lado. La mayor distancia entre 2 anillos de rigidez La distancia del centro del 1er. Anillo de rigidez a la línea tangente del cabezal más 1/3 de su profundidad ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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RECIPIENTES A PRESION EXTERIOR FACTOR A

Æ


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RECIPIENTES A PRESION EXTERIOR FACTOR A

Æ


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RECIPIENTES A PRESION EXTERIOR FACTOR B


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RECIPIENTES A PRESION EXTERIOR FACTOR B


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Importante:

1. Se debe calcular la envolvente para saber si soporta la 2.

presión externa de diseño para una distribución dada de refuerzos Se debe verificar la rigidez de los anillos de refuerzo, que deben cumplir 2 condiciones: (Ver Guía de Cálculo)

1 → J S ≥ IS

2 → JS′ ≥ IS′ Donde: JS: Momento de inercia del refuerzo sin considerar la envolvente como parte del refuerzo J’S: Momento de inercia del refuerzo considerando el aporte de un sector de la envolvente como formando parte del refuerzo ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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Importante:

La longitud de envolvente que se considera es:

1.1 D0t

IS e IS’: son los momentos de inercia necesarios que se obtienen de hojas de cálculos siguientes


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CABEZALES A PRESION EXTERNA:

A. Para cabezales semielípticos y toriesféricos, se lo calcula

B.

a presión interna tomando: Pint =1.67 P y E=1 Lo anterior me da un espesor t1 Para cabezales semiesféricos, semielípticos y toriesféricos, hay un procedimiento (ver hoja de cálculo siguiente), que describimos luego: 1. Proponemos un espesor t2. 2. Determinamos el Factor A, mediante la ecuación: 0.125 A= R t2 3. Con el Factor A ingresamos al ábaco que relaciona el Factor A, con el Factor B, y tenemos 2 posibilidades: ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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1. Cortar la curva y obtener un valor de Factor B. Para este

caso la presión admisible del casquete viene determinada por: B

Pa =

R t2

2. Quedar a la izquierda de la curva y por lo tanto no poder

encontrar un valor para el Factor B. En este caso la presión admisible del casquete se determina por: Pa =

4.

0.0625E

( R t2 )

2

Verificamos que Pa ≥ P, si verifica por exceso, proponer un valor menor para t2, si no verifica, intentar con un valor mayor de t2. ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION

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Para cabezales Semiesféricos t = t2 Para cabezales Semielípticos y Toriesféricos: Tenemos un valor de t1, obtenido en el punto A, y Un valor de t2, obtenido en el punto B.

Se debe tomar como espesor, el máximo de los dos.


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Recipientes a Presion

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