Taller Fundamentos de análisis de flexibilidad. Material de apoyo

Taller Fundamentos de Análisis de Flexibilidad en Tuberías.

M.

Facilitadores:

Ramón Gu Gullón

Bárbara Luna R.

Taller Fundamentos de Análisis de Flexibilidad en Tuberías. Índice General

1 Objetivos......... Objetivos..................... ......................... ......................... ........................ ........................ ........................ ......................... ......................... .................................... ........................ 4 1.1 Objetivo Objetivo General............ General........................ ........................ ......................... ......................... ........................ .................................................... ........................................ 4 1.2 Objetivos Objetivos Específicos.. Específicos.............. ......................... ......................... ........................ ........................ ........................ ......................... ................................ ................... 4 2 Fases y documentos de proyectos.............................................................................................5 2.1 Visualizació Visualización......... n..................... ........................ ......................... ......................... ........................ ........................ ........................ ......................... ..........................5 .............5 2.2 Ingeniería Ingeniería Conceptua Conceptual............. l......................... ........................ ........................ ......................... ........................................................ ........................................... 5 2.3 Ingeniería Ingeniería Básica........... Básica....................... ........................ ......................... ......................... ........................ ........................ ........................ ............................. ................. 5 2.4 Ingeniería Ingeniería de Detalle............. Detalle......................... ........................ ........................ ......................... ......................... ............................................. ................................. 7 3 Documentos técnicos en tuberías..............................................................................................9 3.1 P&ID o Diagrama de Tuberías e Instrumentación................................................................9 3.2 Plano de planta planta o “Plot Plan”............. Plan”......................... ........................ ........................ ......................... ......................... ............................... ................... 10 3.3 Isométricos.. Isométricos.............. ......................... ......................... ........................ ........................ ........................ ......................... ......................... ................................ .................... 11 3.4 Especificac Especificación ión de Tuberías Tuberías o “Piping “Piping Class”................. Class”............................. ........................ .................................. ...................... .......12 ....... 12 3.5 Lista de Líneas............ Líneas........................ ........................ ......................... ......................... ........................ ........................ ........................ ......................... .................. .....15 15 3.6 Estándar Estándar de Soportes.......... Soportes...................... ........................ ........................ ......................... ......................... ............................................. ................................. 16 4 Inducción Inducción al área de flexibilidad.. flexibilidad............... ......................... ........................ ........................ ........................ ........................................... ............................... 18 4.1 Departament Departamento o de tuberías......... tuberías..................... ........................ ........................ ......................... ................................................... ...................................... 18 4.2 Responsabilidades del ingeniero de proyectos analista de flexibilidad..............................18 5 Actividades Actividades de flexibilidad.... flexibilidad................ ........................ ........................ ........................ ......................... ......................... ........................ .......................... .............. 20 5.1 Los sistemas de tuberías como objeto del estudio de flexibilidad.....................................20 5.2 Información Información necesaria del sistema a estudiar............ estudiar........................ ........................ .......................................... .............................. .20 5.3 Análisis Análisis preliminar.......... preliminar...................... ........................ ........................ ......................... ......................... ........................ ...................................... .......................... 21 5.4 Selección Selección de las líneas............... líneas........................... ........................ ......................... ......................... .................................................. ...................................... 21 5.5 Selección Selección de la metodología metodología de análisis............ análisis......................... ......................... ........................ ....................................... ........................... 22 5.6 Análisis Análisis del sistema de tuberías.......... tuberías...................... ........................ ......................... ......................... ......................................... ............................. 24 5.7 Reporte de resultados resultados y emisión de informes.................... informes................................. ....................................... .......................... ........26 ........ 26 2


6 Análisis Análisis de cargas cargas y esfuerzos........... esfuerzos....................... ........................ ........................ ......................... ......................... ........................ ......................... ............. 28 6.1 Criterios Criterios de diseño en tuberías........... tuberías........................ ......................... ........................ ........................ ........................ ..............................28 ..................28 6.2 Bases conceptua conceptuales les del análisis de esfuerzos............ esfuerzos........................ ....................................................... ........................................... 28 6.3 Clasificación de las cargas.................................................................................................29 6.4 Clasificación Clasificación de los esfuerzos........... esfuerzos....................... ........................ ........................ ........................ ......................... ................................. .................... 30 6.5 Concentrac Concentración ión de esfuerzos.......... esfuerzos...................... ......................... ......................... ........................ ............................................... ................................... 31 6.6 Cálculo de esfuerzos en tuberías.......................................................................................32 7 Normalizació Normalización.......... n....................... ......................... ........................ ........................ ........................ ......................... ......................... ........................ .......................... .............. 34 7.1 Introducc Introducción ión al código código ASME............. ASME......................... ........................ ........................ ......................... ....................................... .......................... ..... 34 7.2 Introducc Introducción ión al uso de las normas normas API................. API............................. ........................ ......................... ...................................... ......................... 37 8 Soportes Soportes para tuberías.......... tuberías...................... ........................ ........................ ......................... ......................... ........................ ..................................... ......................... 44 8.1 Estándar Estándar de soportes.......... soportes...................... ......................... ......................... ........................ ........................ ........................ ......................... ......................44 .........44 8.2 Clasificación Clasificación de soportes......... soportes...................... ......................... ........................ ........................ ........................ ......................... ............................. ................ 45 8.3 Espaciamien Espaciamiento to de guías y soportes.......... soportes....................... ......................... ........................ ................................................ .................................... 47 8.4 Criterios Criterios para la colocación colocación de soportes............ soportes........................ ........................ ........................ ........................ ............................ ................ 55 8.5 Soportes Soportes tipo Pick-Up........ Pick-Up..................... ......................... ........................ ........................ ........................ ............................................... ................................... 57 8.6 Colocación Colocación de Zapatas......... Zapatas..................... ......................... ......................... ........................ ........................ ............................................ ................................ 59 9 Introducción al uso de la herramienta CAESAR II 4.50.............................................................61 9.1 El programa programa CAESAR CAESAR II.................. II.............................. ........................ ........................ ......................... ................................................ ................................... 61 9.2 Creación Creación de un archivo............ archivo........................ ........................ ........................ ......................... ......................... ........................ .............................61 .................61 9.3 Carga de los datos para el análisis............ análisis........................ ........................ ........................ ........................ .................................... ........................ 63 9.4 Definición de los casos de estudio.....................................................................................75 9.5 Interpretació Interpretación n de resultados....... resultados.................... ......................... ........................ ........................ ................................................. ..................................... 81

3

Taller Fundamentos de Análisis de Flexibilidad en Tuberías. 1 1.1

Objetivos

Objet bjetiv ivo o Gen Gener era al

- Establecer los lineamientos básicos para el correcto estudio de flexibilidad de los sistemas de tubería. 1.2 1.2

Obje Ob jeti tivo vos s Espec Específ ífic icos os

- Describir los documentos técnicos en tubería empleados por la disciplina de flexibilidad. - Resumir la teoría básica de esfuerzos y cargas empleada para hacer estudios de flexibilidad. - Resaltar los diferentes códigos y normas empleados por la disciplina de flexibilidad. - Definir los criterios básicos a emplear por los diseñadores y analistas de flexibilidad para la adecuada colocación de soportes en los sistemas de tubería. - Enumerar las diferentes actividades que implica realizar un estudio de flexibilidad. - Introducir al analista de flexibilidad al uso de la herramienta computacional empleada para el estudio formal de los sistemas de tuberías.

4

Taller Fundamentos de Análisis de Flexibilidad en Tuberías. 2 2.1

Fase Fases s y doc docum umen ento tos s de de pro proye yect ctos os Visu isualiz aliza ación ión

Sobre la base del plan de negocios de la empresa, se propone una “Idea” a fin de determinar las posibles oportunidades de negocio, aprovechando los recursos disponibles y evaluando los requerimientos de inversión. En esta fase, por lo general, se desarrolla el alcance del proyecto y su estudio de factibilidad, con el cual se persigue determinar la rentabilidad del mismo.

2.2 2.2

Inge Ingeni nier ería ía Conc Concep eptu tual al

Esta es la fase en la que se establecen las metas y necesidades, para obtener el “concepto” final de lo que resulta mejor negocio para el cliente. Se realizan evaluaciones y estudios de opci opcion ones es que que perm permit iten en defi defini nir: r: La ubic ubicac ació ión n opti optima ma de la inst instal alac ació ión, n, la tecn tecnol olog ogía ía seleccionada, capacidad y condiciones, los requerimientos de infraestructura y servicios, un estimado de costos preliminar y de rentabilidad, y el plan de ejecución del proyecto. Entre los productos de la ingeniería conceptual se encuentran: - Alcance del proyecto. - Diagrama de Flujo.

- Estudios de opciones. - Bases y criterios preliminares de diseño.

- Pla Plano no de de impl implan anta taci ción ón de de equi equipo poss e inst instala alaci cion ones. es. - Filosofía de operación y control. - Estimado de costos clase IV. proyecto.

2.3 2.3

- Aná Anális lisis is prel prelim imin inar ar de de pelig peligro ro..

- Requerimientos de servicios industriales. - Plan preliminar de ejecución del

Inge Ingeni nier ería ía Bási Básica ca

Esta es la fase de “definición”, en la cual se genera la información necesaria para la elaboración de un estimado de costos clase II y se fijan las especificaciones y datos necesarios para el desarrollo de la Ingeniería de Detalle.

Al finalizar esta fase, el proceso debe estar completamente definido, los equipos situados y dimensionado dimensionados, s, así como toda la infraestruct infraestructura ura y servicios servicios industriales. industriales. Debe existir una idea clara y precisa de la filosofía de control, operación y mantenimiento, ya que en esta etapa se realiza el estudio de seguridad operacional, el análisis cuantitativo de riesgos, el estudio de constructibilidad y el estudio de impacto ambiental, entre otros. Entre los documentos generales producto de la ingeniería básica se encuentran: - Alcance detallado del proyecto.

- Bases y criterios de diseño.

5


- Listas de materiales y cómputos métricos. proyecto.

- Pl P lan de d e ej e jecución de d el

- Paquete de licitación del IPC o Ingeniería de Detalles. clase II.

-

- Requisición de materiales y equipos de largo tiempo de entrega.

- Estudios especiales.

Estimado

de

costos

Ya en este punto, cada disciplina comienza a emitir documentos que servirán para el desarrollo des arrollo del IPC o de la ingeniería de detalle: - Productos de la ingeniería básica para la disciplina “procesos”: Diagramas de flujo, diagramas de tuberías e instrumentación (P&ID’s), diagramas metalúrgicos, lista de líneas, listas de puntos de conexión o Tie-ins, descripción del proceso, filosofía de operación y control, y manual de operaciones. - Productos de la ingeniería básica para la disciplina “equipos”: Cálculos de equipos, hojas de dato datoss de equi equipo pos, s, plan planos os de inge ingeni nier ería ía de equi equipo pos, s, espe especi cifi fica caci cion ones es de equi equipo pos, s, y requisiciones de equipos de largo tiempo de entrega. - Productos de la ingeniería básica para la disciplina “civil”: Especificaciones de ingeniería y constr construcc ucción ión de estruc estructur tura, a, movimi movimient ento o de tierras tierras y obras obras civiles civiles,, plano plano de implan implantac tación ión general de edificaciones, planos de vialidad, arquitectura preliminar de plantas y fachadas, y planos planos prelimi preliminar nares es de estruct estructura urass y edifica edificacio ciones, nes, planos planos prelim prelimina inares res de fundac fundacione ioness y sistemas enterrados como drenajes sanitarios, de aguas de lluvia, etc. - Prod Produc uctos tos de la inge ingeni nierí ería a básic básica a para para la disc discip iplin lina a “elec “electr tric icid idad ad”: ”: Diag Diagra rama ma Unif Unifila ilar, r, clasificación de áreas peligrosas, plano de disposición de equipos eléctricos, hojas de datos y especif especifica icacio ciones nes de equipo equiposs eléctric eléctricos, os, especif especifica icacio ciones nes de ingenie ingeniería ría y constr construcc ucción ión de elect electric ricid idad ad,, y plan planos os de preli prelimi mina nares res de inst instala alaci cion ones es de siste sistema mass eléc eléctr tric icos os como como alimentación, sistema de puesta a tierra y pararrayos, detección de incendios, iluminación, protección catódica, etc. - Productos de la ingeniería básica para la disciplina “instrumentación”: Hojas de datos de instrumentos y equipos de control, especificaciones de instrumentos y sistemas de control, listado de instrumentos, plano de disposición de equipos en salas de control, control, especificacio especificaciones nes de ingeniería ingeniería y construcci construcción ón de instrumentación instrumentación y control, control, y planos preliminares de instalaciones de sistemas de instrumentación y control (ruta de señales). - Productos de la ingeniería básica para la disciplina “tuberías”: Especificaciones de ingeniería y construcción de tuberías (materiales, soldadura, aislamiento, pintura, etc.), plano de implantación general y detalles de implantación, planos de ruta o layout de tuberías, lista y detalles de puntos de conexión, listas de líneas críticas y análisis preliminar de flexibilidad, preliminares generales del sistema contra incendios, y requisición de materiales de largo tiempo de entrega.

6

Taller Fundamentos de Análisis de Flexibilidad en Tuberías. 2.4 2.4

Inge Ingeni nier ería ía de de Det Detal alle le

Esta es la llamada fase de “implantación” en donde se genera el paquete de información que establece las especificaciones y los planos de construcción del proyecto y la adquisición de los materiales y equipos no considerados como de largo tiempo de entrega. Los documentos generales que se obtienen de la ingeniería de detalle son: - Alcance detallado del proyecto (actualizado). (actualizado).

- Bases y criterios de diseño

- Listas de materiales y cómputos métricos.

- Estimado de costos clase I.

- Paquete de licitación de construcción. construcción.

-

- Requ Requisic isición ión de materia materiales les y equip equipos os de de cort corto o tiem tiempo po de de entre entrega. ga.

Plan

de

ejecución

de

la

- Memo Memoria riass de cálcul cálculo. o.

De manera similar a la ingeniería básica, cada disciplina emite documentos que servirán para la construcción de la obra: - Productos de la ingeniería de detalle para la disciplina “procesos”: Actualización y ajustes de los documentos producto de la ingeniería básica y diagramas de prueba hidrostática.

- Productos de la ingeniería de detalle para la disciplina “equipos”: Actualización y ajustes de los docume documento ntoss produc producto to de la ingeni ingeniería ería básica, básica, planos planos de escalera escalerass y plataf plataform ormas as de equipos, equipos, revisión revisión de documentos documentos del fabricante fabricante (VENDOR), (VENDOR), requisiciones requisiciones de equipos de corto tiempo de entrega, y catálogos mecánicos. - Productos de la ingeniería de detalle para la disciplina “civil”: Actualización y ajustes de los documentos producto de la ingeniería básica, planos de vialidad, movimiento de tierras y topografía, topografía, detalles de Arquitectu Arquitectura ra de plantas y fachadas, fachadas, planos de estructuras estructuras,, soportes soportes y edificaciones, y planos de planta y detalles fundaciones y sistemas enterrados como drenajes sanita sanitarios rios,, de aguas aguas de lluvia, lluvia, de aguas aguas contam contamina inadas das y distribu distribución ción de agua agua potabl potable e a edificaciones. - Productos de la ingeniería de detalle detalle para la disciplina disciplina “electricidad”: “electricidad”: Actualización Actualización y ajustes de los documentos producto de la ingeniería básica, y planos de detalles de rutas de líneas, planos planos de planta planta y detalle detalless de instalac instalacion iones es de sistema sistemass eléctri eléctricos cos como como aliment alimentaci ación, ón, sistema sistema de puesta puesta a tierra tierra y pararr pararrayo ayos, s, detecc detección ión de incend incendios, ios, ilumin iluminaci ación, ón, protec protecció ción n catódica, etc. - Productos de la ingeniería de detalle para la disciplina “instrumentación”: Actualización y ajustes de los documentos producto de la ingeniería básica, planos de planta y detalles de instalaciones instalaciones de sistemas sistemas de instrumentación instrumentación y control control como ubicación ubicación de instrumentos instrumentos y ruta de señales, detalles de instalación de instrumentos, y filosofía de control. - Productos de la ingeniería de detalle para la disciplina “tuberías”: Actualización, completación y ajustes de los documentos producto de la ingeniería básica, planos ortográficos de tuberías, plantas, secciones y detalles, isométricos de tuberías, detalles de puntos de conexión, análisis de flexibilidad de las líneas requeridas, según código, detalles generales del sistema contra 7


incendios, requisiciones de materiales de corto tiempo de entrega y detalles de soportes de tuberías.

8

Taller Fundamentos de Análisis de Flexibilidad en Tuberías. 3 3.1 3.1

Docu Docume ment ntos os técn técnic icos os en tube tuberí rías as P&ID P&ID o Diagr Diagrama ama de de Tuberí Tuberías as e Instr Instrume ument ntac ación ión

Los P&ID son los planos planos iniciales en el proceso proceso de diseño de tuberías, que muestra los equipos del sistema, la instrumentac instrumentación ión requerida y las tuberías principales principales para la conexión conexión entre los equipos más importantes. En estos diagramas se establece la codificación de los equipos, unidades y sistemas de tuberías e instrumentación, con lo cual cada elemento queda completamente identificado.

Es importante señalar que estos planos “no” son representaciones a escala y, en algunos casos, no está representada la cantidad exacta de equipos existente en la realidad. Los P&ID deben poseer la siguiente información: - Esquema de equipos, líneas de conexión, elementos de tuberías (reducciones, válvulas y bridas), instrumentos, señalización de los cambios de especificación en líneas, etc.

- Identificación detallada de equipos, código y valores importantes de diseño (temperatura, presiones, material, espesores, dimensiones generales, etc.)

- Cuadro de identificación del documento: Aporta información importante como, nombre del proyecto, proyecto, título del diagrama, diagrama, número del P&ID, progreso progreso de las revisiones revisiones del documento, documento, etc.

9


Fig. 1. P&ID D-67-0021 Valero Ardmore Refinery 3.2 3.2

Plan Plano o de plan planta ta o “Plo “Plott Pla Plan” n”

El “Plot Plan” es una vista aérea de la distribución de equipos y estructura, en el que se puede apreciar el arreglo de los mismos dentro del área de planta. Es de alta importancia debido a que aporta datos relevantes para la construcción y es la base para el levantamiento de los isométricos empleados para la fabricación de tuberías. Este plano debe poseer la siguiente información: - El Norte de la planta: Se encuentra generalmente ubicado en la esquina superior izquierda del mismo y no necesariamente coincide con el norte geográfico. En este mismo punto se suele aportar los datos de la dirección predominante del viento. - Coordenadas: Brindan una ubicación exacta (en términos numéricos) de los límites del plano y de los puntos puntos de interés como como las áreas de vialidad, centros centros de los equipos, etc., así como de la cota del piso en diferentes puntos (usualmente se resalta la cota mas baja). - Disposición Disposición de los equipos: equipos: Son representaci representaciones ones a escala de los diferentes diferentes equipos, con sus respectivas siluetas y el contorno de sus fundaciones, que brindan una idea de los espacios disponibles disponibles para la colocación colocación de tubería, soportes y demás accesorios, a fin de que estos se puedan colocar sin que que se vean afectadas las actividades de mantenimiento y operación de la planta. - Las estructuras para soportes y/o “Pipe Rack”: Dan una visual clara de los distintos puntos de apoyo para las tuberías. - Cuadro Cuadro de identifi identificac cación ión del docum documento ento:: Propor Proporcio cionan nan la inform informaci ación ón import important ante e como, como, nombre nombre del proyec proyecto, to, título título del plano, plano, escala escala del mismo, mismo, progre progreso so de las revision revisiones es del documento, etc.

10


Fig. 2. Plot Plan Unit 670 Valero Ardmore Refinery 3.3

Isométricos

Son documentos generados por el grupo de diseñadores de tuberías. Su buena calidad se traduce en ahorro de tiempo y dinero, tanto para la ingeniería, como para la construcción, repercutiendo directamente en los beneficios del responsable. Son utilizados principalmente con el fin de facilitar la ejecución de la prefabricación de tuberías y deben representar de forma clara todos los cambios de dirección de las líneas, a la vez que la posición del plano en el espacio en que ésta se desplaza. Cada isométrico debe representar una sola línea con la misma especificación pero, cuando la línea es larga y complicada, ésta se puede representar en dos o más isométricos, con el mismo número pero con secuencia de hojas, además es muy importante resaltar que “no están hechos a escala” y las longitudes acotadas no guardan proporcionalidad entre sí.

Los Isométricos deben poseer la siguiente información:

- La orientación del norte de la planta: Que se representa, normalmente, en la parte superior izquierda del dibujo y será igual en todos los isométricos del mismo proyecto, los cuales estarán relacionados directamente con la orientación del plano de planta de tuberías.

- Listado de materiales: Proporciona información importante, además de un conteo, de todos los elementos que componen la tubería representada.

- Señalizaciones: De boquillas, soportes, puntos de soldadura de campo, puntos de continuación de isométricos, codos, reducciones, bridas, válvulas, y demás elementos de tubería con información relevante como coordenadas, elevaciones, diámetro, rating, etc. dependiendo de cada caso.

- Cuadro de identificación del documento: Proporcionan información importante como, nombre del del proy proyect ecto, o, nomb nombre re de la líne línea, a, núme número ro y secue secuenc ncia ia del del isomé isométr tric ico, o, prog progres reso o de las revisiones del documento, etc.

11


Fig. 3. Isométrico PR-6701120-03 PR-6701120-03 Valero Ardmore Refinery 3.4 3.4

Especi Especific ficac ación ión de de Tuber Tuberías ías o “Piping “Piping Clas Class” s”

El “Pipin “Piping g Class”, Class”, es un docume documento nto elabor elaborado ado por la discip disciplina lina de tubería tuberíass (apoya (apoyado do en procesos), en el cual se especifica, como su nombre lo indica, las características de cada elemento que conforma el sistema de tuberías. Para cada elemento, se colocan rangos de diámetros nominales, para los que se especifica la clase y tipo de material a utilizarse. De manera general, también da la información respecto al espesor de corrosión y rangos de temperatura y presión

La especificación de tuberías debe contener la siguiente información:

- Información de la clase (Rating), material y espesor de corrosión requerido para la tubería.

- Información Información detallada detallada de cada elemento de tubería tubería (codos, (codos, bridas, válvulas, válvulas, tubería, nipples, nipples, reductores, reductores, tees, planchas planchas de refuerzo, refuerzo, sockolets, sockolets, weldolets, thredolets, entre otros), por rango de diámetros.

- Tabla de relación donde se especifica el tipo de unión o conexión para ramales, según los diámetros involucrados.

12


Fig. 3. Hoja de datos de la clase AA2E Sincor - San Diego de Cabruticas

13


Fig. 4. Tabla de relación de diámetros en uniones ramales para las clases AA5A, AA5G, AA2D, AA2E, AA2F y AA2O Sincor - San Diego de Cabruticas

Ejemplo de sistema de codificación del “Piping Class” (SINCOR):

D A 5 A Service Corrosion Allowance or Lining Material Flange Rating (ANSI Class)

Donde:

Material

Service A

Hydrocarbon & General Purpose (400 ºC Max.)

B


C

Production Water

D

Diluent

E

Diesel, Fuel Oil

F

Fire Water

G

Gas

K

Portable Water

L N

Service Water, Raw Water I nstrumentation nstrumentation Air

O P

Lube Oil Service Air

W

Oily Water

X

Chemical Injection I njection

Y


Corrosion Allowance (inches) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0.03 0.063 0.1 0.125 0.15 0.188 0.2 0.25

Non-Metallic lining A None B Concrete C CPCV E Epoxy F Polyester G Polyethylene P PVC PVC T Tefl Teflo on

A B C D E F J K Q R X Y Z

Carbon Steel Low temp. Carbon Steel Galvanized Carbon Steel 1 ¼ Cr Cr – ½ Mo Mo 2 ¼ Cr Cr – ½ Mo Mo 5 Cr – ½ Mo Mo Stainless Steel 304 (any grade) Stainless Steel 316 (any grade) Cast Cast Iron I ron Lined Carbon Steel Fiber Glass (66 ºC) Fiber Glass (105 ºC) Fiber Glass (126 ºC)

Flange Rating ANSI CLASS CLASS A

150

B

300

C

400

D

600

E

900

F

1500

14


3.5

List Lista a de Lín Líneas eas

Además del P&ID, la disciplina procesos elabora una lista de datos de tuberías o “lista de líneas”, el cual es un document documento o que contiene contiene la información información de las condicion condiciones es del fluido dentro dentro de la tubería. Las listas de líneas deben contener la siguiente información:

- Dato Datoss term termod odin inám ámic icos os:: Temp Tempera eratu tura ra y presi presión ón tant tanto o de opera operaci ción ón como como de diseñ diseño, o, condiciones prueba hidrostática, fase del fluido, tipo de servicio, densidad y viscosidad del fluido. - Datos de la tubería: diámetro, numero de la línea, schedule, especificación, tipo y espesor de aislamiento, pintura, etc. - Datos de descripción: Punto de partida y llegada de las líneas, número de P&ID donde se puede ubicar la línea, notas importantes, revisión, entre otras.

15

Taller Fundamentos de Análisis de Flexibilidad en Tuberías. Fig. 5. Lista de líneas Unit 670 Valero Ardmore Refinery 3.6 3.6

Está Estánd ndar ar de Sopo Soport rtes es

Es un documento documento producto producto de la ingeniería básica muy empleado por la disciplina de tuberías tuberías tant tanto o para para el diseñ diseño o como como para para el anál análisi isiss de flexi flexibi bilid lidad ad que que cont contien iene e los los deta detall lles es de fabricación y colocación de los distintos tipos de soportes a utilizar en el proyecto. Todos los soportes en el estándar están ordenados y codificados de manera que se facilite la señalización de los mismos en los planos de planta e isométricos.

Fig. 6. Encabezado del estándar de soportes Sincor - San Diego de Cabruticas

Es un documento documento producto producto de la ingeniería básica muy empleado por la disciplina de tuberías tuberías tant tanto o para para el diseñ diseño o como como para para el anál análisi isiss de flexi flexibi bilid lidad ad que que cont contien iene e los los deta detall lles es de fabricación y colocación de los distintos tipos de soportes a utilizar en el proyecto. Todos los soportes en el estándar están ordenados y codificados de manera que se facilite la señalización de los mismos en los planos de planta e isométricos.

16


Fig. 6. Base Support BS2 (Pág. 42) del estándar de soportes Sincor - San Diego de Cabruticas

17


Indu Inducc cció ión n al al áre área a de flex flexib ibil ilid idad ad Depa Depart rtam amen ento to de tube tuberí rías as

Para ejecutar actividades de ingeniería y construcción, asociados a un proyecto, el equipo de trabajo debe ser organizado bajo la dirección de un gerente de proyecto o de un Jefe de departamento. En el departamento de tuberías, el ingeniero de proyecto se desarrolla tres áreas principales: AREA CONTRA INCENDIOS

ANÁLISIS DE FLEXIBILIDA D DISEÑO DE TUBERÍAS

Fig. 7. Áreas de desarrollo e el departamento de tuberías

Para cada área el ingeniero de tuberías desarrolla las siguientes actividades: - Diseño de Tuberías: Ingeniería de tuberías, diseño y layout, ubicación de equipos en el “Plot Plan”, control de materiales (tubería y accesorios), coordinación del contrato de fabricación de tuberías, tuberías, interacción con otras disciplinas, disciplinas, para garantizar que la tubería tubería y sus componente componentess asociados sean entregados - Análisi Análisiss de Flexibi Flexibilida lidad: d: Análisi Análisiss de cargas cargas y esfuerz esfuerzos os en tubería tuberías, s, diseño diseño de soport soportes es mecánicos, control de materiales (juntas flexibles, resortes, etc). - Área Contra Incendios: Diseño de sistemas contra incendios. 4.2 Responsab Responsabilida ilidades des del del ingenier ingeniero o de proyec proyectos tos analist analista a de flexibil flexibilidad idad

Por su parte el analista de flexibilidad es responsable de desarrollar tres actividades principales: ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD

COORDINACIÓN

SOPORTERÍA ESTUDIO DE ESFUERZOS

Fig. 8. Actividades principales del área de Análisis de Flexibilidad

ESTUDIO DE ESFUERZOS

18


- Coord Coordin inac ación ión:: Desar Desarro rollo llo,, revi revisió sión n y emisi emisión ón de las espec especif ific icac acion iones es para para anál análisi isiss de flexibilidad de tuberías y revisión de especificaciones generales en tuberías, elaboración de lista de control líneas críticas (lista desagregada de líneas), elaboración de formatos para la prese present ntac ació ión n de resul resulta tado doss (car (carga gass sobre sobre boqu boquill illas as de equi equipo pos, s, carg cargas as civi civiles les,, etc. etc.), ), participación en el diseño de tuberías tuberías para incluir cambios de de layout, definición del esquema de informe a presentar, archivo de la información empleada, de los documentes de resultados emitidos y la memoria de cálculo. - Estudio de esfuerzos: Chequeo de diagramas de tubería e instrumentación, levantamiento de información, inspección visual de las líneas, elaboración del modelo computacional para el análisis formal de flexibilidad en líneas criticas, análisis de cargas y esfuerzos (en tubería y boquil boquillas las de equipo equipos), s), emisión emisión de modific modificaci acione oness de layout layout en tubería tuberíass en caso caso de ser necesario, revisión de isométricos para emisión, elaboración y emisión del informe final (en caso de líneas aprobadas por inspección visual, no se amerita un informe). - Soportería: Definición y revisión del estándar de soportes a emplear en el proyecto, selección de los tipos de restricciones a emplear durante el análisis de flexibilidad, diseño de soportes mecánicos especiales, análisis de cargas en soportes civiles y transmisión de la información a la disciplina civil, numeración de soportes en isométricos y planos de planta, definición del uso de element elementos os flexibl flexibles( es(sop soport ortes es elástic elásticos, os, juntas juntas de expans expansión ión,, amortig amortiguad uadores ores,, etc.), etc.), selección de clips para soportes de tuberías a equipos y soportes a plataformas, elaboración y emisión de las listas de materiales (para soportes mecánicos, planchas de teflón, elementos flexibles, etc.), evaluación técnica de ofertas de elementos flexibles.

19

Taller Fundamentos de Análisis de Flexibilidad en Tuberías. 5

Acti Activi vida dade des s de de fle flexi xibi bili lida dad d

5.1 Los sistem sistemas as de tuberías tuberías como objeto objeto del estud estudio io de flexibilida flexibilidad d

Se define como “sistema” al conjunto de elementos que se encuentran vinculados entre sí y que conforman el objeto de estudio. En nuestro caso, los “elementos” son equipos, soportes, tubería o accesorios como codos, tees, válvulas, bridas, etc. Para el correcto estudio de los sistemas de tubería, estos deben estar bien delimitados y se debe incluir en el mismo a todos los componentes que puedan afectarlo considerablemente. Entendemos por flexibilidad a una condición o propiedad del sistema de tuberías sometido a cambios de temperatura que le permite dilatarse o contraerse, sin que esto traiga como consecuencia un aumento considerable en las cargas y los esfuerzos asociados al sistema o a sus accesorios, entonces se dice que una tubería flexible es aquella que, a pesar de sufrir cambios por efecto de la expansión expansión térmica térmica del del material, material, se adapta adapta a su nueva geometría, geometría, sin que que ello traiga traiga consecuencias negativas al sistema. El propósito del análisis de flexibilidad, en sistemas de tuberías, es probar que el arreglo concebido por el diseñador, cumple con los requisitos establecidos por el cliente, las normas estandarizadas y demás observaciones emitidas por los fabricantes de equipos, y en caso que esto no ocurriera, producir una configuración geométrica que no ocasione esfuerzos excesivos ni elevadas reacciones en los soportes y boquillas.

Para lograr esto, la geometría del sistema no debe ser rígida, es decir, debe poseer cambios de direcciones direcciones y que asociadas asociadas directament directamente e al diámetro y espesor de las tuberías tuberías en estudio, estudio, le permitan disipar la expansión térmica generada en la tubería.

Sin embargo se debe recordar que no es deseable hacer a un sistema innecesariamente flexible, por los costos asociados a la incorporación de tramos extra de tubería, codos y demás elementos empleados para incrementar la flexibilidad. 5.2 5.2

Infor Informa mació ción n necesa necesaria ria del del siste sistema ma a estudi estudiar ar

Antes de comenzar a estudiar los sistemas, se debe comenzar por una fase de “levantamiento de la información”, en la cual se procura tener toda la data necesaria para el análisis de flexibilidad de líneas. Los principales documentos empleados por los analistas de flexibilidad son: - Lo Los P& P&ID o “Piping an and In Instrumentation Di Diagrams”.

- La Las lilistas de de lílíneas.

- La especificación de tuberías o “Piping Class”.

- Isométricos y planos de de planta.

- Estándar de soportes.

- Especificación de flexibilidad.

- Especificación del aislante.

- Planos de los equipos (Vendor). 20


En algunas ocasiones también son necesarios algunos planos y especificaciones civiles (planos de estructuras, condiciones del suelo, etc.) y ciertos datos provenientes de la disciplina de instrumentación (como pesos y dimensiones de válvulas de control, reacciones en válvulas de alivio, etc.). 5.3 5.3

Análi nálisi sis s pre preli limi mina narr

Esta fase del análisis se realiza un estudio global (visual) de todo el sistema a fin de verificar que la geometría del arreglo se vea flexible.

- Se chequeará la colocación de soportes en la tubería, a fin de verificar que la soportación se hace conforme al “span” definido (por el estándar de soportes) para el diámetro de la misma. - Se prestará atención a la ubicación de anclajes y límites direccionales y guías colocados en el arreglo de tuberías tuberías a fin de verificar que estos no afecten la flexibilidad flexibilidad del sistema. En e caso de las guías se debe procurar no colocarlas cercanas a los codos, ya que estos puntos de cambio de dirección son en los que ocurren las mayores deformaciones. - Se verificarán las condiciones de presión y temperatura a las que están sometidas las líneas del arreglo a fin de estimar si requieren o no de un análisis detallado. 5.4 5.4

Sele Selecc cció ión n de las las líne líneas as

Serán analizadas formalmente por flexibilidad aquellas que se describen en los siguientes criterios de segregación de líneas (tomado del documento ANAFLEX DIC 122-G01): - Todas aquellas indicadas como “críticas” en la lista elaborada por la Coordinación de Sistemas de la Gerencia de Ingeniería. - Las Las línea líneass cone conect ctad adas as a equi equipo poss como como:: Turb Turbin inas as,, Bomb Bombas as,, Comp Compres resore oress cent centríf rífug ugos os y recipr reciproca ocante ntes, s, Interc Intercamb ambiad iadores ores de calor, calor, Hornos Hornos,, Calent Calentado adores, res, Caldera Calderas, s, Recipi Recipient entes es a presión y Tanques de almacenamiento. - Líneas diseñadas por el código ASME B31.1 “Power Piping” - Las tuberías conectadas a sistemas de alivio, a equipos y estructuras con asentamientos mayore mayoress o iguales iguales a ½” o tubería tuberíass que puedan puedan afectar afectar significa significativ tivame amente nte a otras otras líneas líneas asociadas que requieran análisis formal. - Tuberías de gran longitud (pipe racks):

φ

< 6” si -7 ºC ≥ Tdis ≥ 65 ºC

φ

> 6” si -7 ºC ≥ Tdis ≥ 38 ºC

- Tuberías cuya temperatura de diseño sea: Diámetro nominal

Tdis dis mayor o igual a

Tdis dis menor o igual a

3” ≥

400ºF (207ºC)

-20ºF (-28 (- 28ºC) ºC)

4” a 10” 10”

300ºF (148ºC)

-20ºF (-28 (- 28ºC) ºC)

12” 12” a 16” 16”

200ºF (93ºC)

-20ºF (-28 (- 28ºC) ºC)

≥18”

150ºF (65ºC)

-15ºF (-26 (- 26ºC) ºC)

21


- Tuberías aisladas internamente y demás líneas que la disciplina de flexibilidad considere conveniente analizar. Se determ determina inará rá la similitu similitud d entre entre líneas, líneas, tomand tomando o en cuent cuenta a como como ciertas ciertas caract caracterís erístic ticas as afectan la flexibilidad de una línea: - A mayor diámetro, mayor rigidez. - A mayor distancia entre anclajes o boquillas, mayor temperatura y mayor coeficiente de dilata dilatació ción n del materia material; l; resulta resulta más grande grande la expans expansión ión térmic térmica a a absorb absorber er y menor menor la flexibilidad. - A mayores valores de asentamientos en equipos, mayor deformación y menor flexibilidad. 5.5 5.5

Selecc Selección ión de la la metod metodolo ología gía de anál análisi isis s

5.5. 5.5.1 1 Anál Anális isis is Visu Visual al:: Todas las líneas requieren de este análisis, el cual debe ir apoyado de tablas, gráficos y ecuaciones simplificadas. En este análisis se revisará el recorrido de la línea a fin de verificar que existan puntos de absorción de expansión térmica, que el espaciamiento entre soportes y guías sea el adecuado para el diámetro de la línea y que, al mismo tiempo, la colocación de los soportes no afecte de manera negativa la libre expansión de la tubería. Ejemplo: Suponiendo que “L” es el valor dado al "span" de la tubería del ejemplo, para cada uno de los siguientes casos ese valor se verá disminuido por un factor determinado:

Cambio de dirección en el plano horizontal

Cambio de dirección en dos planos

Derivaciones de ramales

Fig. 9. Factores de corrección para el espaciamiento máximo entre soportes

5.5. 5.5.2 2 Anál Anális isis is Form Formal al:: Este análisis comprende el uso de métodos de cálculo y modelos computacionales que provean una una evalu evaluac ació ión n de las carg cargas as y los los esfue esfuerz rzos os ocas ocasion ionad ados os por por los los desp desplaz lazam amien iento toss y deformaciones ocurridos en la tubería. Estos cálculos deben también incluir el efecto de los factores de intensificación de esfuerzos en conexiones de ramales y accesorios. La herramienta de cálculo empleada para este fin actualmente en VEPICA es CAESAR II V-4.50 de COADE. 22


Durante el análisis formal se comparan los valores de cargas y esfuerzos con los admisibles especificados conforme a los códigos y normas de diseño. Entre los más empleados por flexibilidad para el análisis de sistemas de tuberías se encuentran: ANSI - American National Standard Institute. ASME Codes for Pressure Piping: -

B31.1 “Power Piping” - B31.3 “Chemical Plant & Petroleum Refinery Piping” - B31.4 “Liquid “Liquid Transportatio Transportation n Systems Systems for Hydrocarbo Hydrocarbons, ns, Liquid Liquid Petroleum Petroleum Gas, Anhydro Anhydrous us Ammonia and Alcohols” - B31.8 “Gas Transmission and and Distribution Piping Systems” ASME Boiler & Pressure Vessels Code (Section VIII):

- Div. 1: Rules for Construction of Pressure Vessels - Div. 2: Rules for Construction of Pressure Vessels-Alternative API - American Petroleum Institute:

- API-560: Fired Heaters for General Refinery and Services. API-610: Centrifugal Pumps. API-611: General Purpose Steam Turbines for Refinery. API-612: Special Purpose Steam Turbines for Refinery. API-617: Centrifugal Compressors. API-618: Reciprocating Compressors for Refinery. - API-619: Rotating Positive Displacement Compressors. - API-650: Appendix P-Allowable External Loads on Tank Shell Opening. 23


- API-661: Air Cooler Heat Exchangers. - API-676: Positive displacement Pumps-Rotary. - API RP- 520: Recommended practice for sizing selection and Installation of Pressure Relieving Devices in Refineries. COVENIN - Comisión Venezolana de Normas Industriales:

Acciones del Viento sobre las Construcciones 2003 – 80. Edificaciones Antisísmicas 1756 – 87.

EJMA - Expansion Joint Manufactures Association Standards. HEI - Heat Exchanger Institute Standard for Closed Feed Water Heater. NEMA - National Electrical Equipment Association:

SM 23: Steam Turbines for Mechanical Drive Service. MSS SP-58 - Pipe Hanger & Supports – Material & Design. MSS SP-69 - Pipe Hanger & Supports. PDVSA Nº HG-231 - Soportes de tuberías prefabricados. PDVSA Nº HG-251 - Criterio de diseño de soportes. PDVSA Nº HG-252-PRT - Piping System Stress Design Criteria. TEMA - Tubular Exchanger Manufactures Association. WRC - Welding Research Council:

- Bulletin 107: Local Stresses in Spherical and Cylindrical Shells. Bulletin 297: Local Stresses in Cylindrical Shells. 5.6 5.6

Anál Anális isis is del del siste sistema ma de de tube tuberí rías as

Al realizar el estudio del sistema y se verificará que: - Las unidades empleadas sean las correctas. Las suposiciones usadas para modelar los equipos y colocar soportes así como el valor de la temperatura ambiente, son las adecuadas. Es importante recalcar que todas las suposiciones son “premisas del estudio” y estas deben estar “respaldadas” de algún modo al momento de ser empleadas. 24


Los datos termodinámicos están conforme a la lista de líneas. Se verificará que los datos de espesor de las tuberías, de corrosión, materiales y la clase en las bridas y válvulas son los establecidos en el “Piping Class”.

- Las deflexiones y desplazamientos se encuentren por debajo del valor aceptado por el cliente (especificación de flexibilidad).

- En los puntos en los que se coloquen restricciones, este actúe de la manera esperada y, en caso que exista una holgura o “gap”, que el desplazamiento no sea mayor a ésta. Se verificará que, en los puntos puntos de imposición imposición de desplazamien desplazamientos, tos, la tubería tubería se mueve según el valor indicado. Se verificará que, en los puntos puntos de imposición imposición de desplazamien desplazamientos, tos, la tubería tubería se mueve según el valor indicado. En los puntos de imposición de cargas, deberá observarse una variación en ésta, proporcional a la magnitud impuesta.

- Exista continuidad en los desplazamientos y cargas. Se estén calculando los factores de intensificación de esfuerzos correctos, para cada elemento del sistema de tuberías. Se verificará que se estén calculando los esfuerzos, conforme al código o norma aplicada. Que Que el siste sistema ma prese present nta a esfue esfuerz rzos os meno menore ress a los admi admisib sibles les,, conf confor orme me a los los caso casoss de evaluación de cada código. 25


Las reacciones en las boquillas de los equipos son menores a las cargas admisibles de las mism mismas as,, conf confor orme me a lo indi indica cado do en algu alguna na norm norma a de fabr fabric icac ació ión n o en la info inform rmac ación ión suministrada por el fabricante. Para facilitar los chequeos de cada uno de estos puntos para cada proyecto debería existir un formulario de verificación, que debería ser empleado por los analistas al momento de realizar el estudio formal de un sistema. 5.7 5.7

Report Reporte e de resu resulta ltados dos y emisió emisión n de info inform rmes es

La emisión de comentarios, reportes e informes son el producto principal de la disciplina de flexibilidad

Durante la fase del análisis (visual o formal) se realizan observaciones y cambios que van señalados en los planos e isométricos, proporcionados por la disciplina de tuberías, conforme al “código de colores”. - Amarillo: Aprobado o chequeado OK. - Verde: Borrar, eliminar o excluir. - Rojo: Agregar o Incluir. - Azul: Comentarios. - Marrón: Modificación realizada (usado por diseñadores, dibujantes y proyectistas). Solo para el análisis formal, lo más resaltante de estas observaciones y los resultados obtenidos del programa CAESAR II , son emitidos en un reporte de cargas y un informe escrito. El informe de resultados deberá estar hecho conforme al formato especificado para el proyecto y en líneas generales deberá incluir:

- Objetivo: Razones de la realización del análisis.

- Alcance: Especificación de los límites físicos del estudio y de condiciones de estudio del sistema. - Documentos de referencia: Implica un listado de las normas y estándares, planos, isométricos, especificaciones y demás documentos empleados para la realización del estudio. - Premisas: Son las consideraciones tomadas para la realización del análisis, algunas de las cuales son acordadas inicialmente con el cliente. - Metodología: Es la descripción detallada de los pasos a seguir para la realización del estudio. - Análisis: Es la descripción de lo ocurrido durante la realización del estudio, de los posibles problemas encontrados, así como la proposición de soluciones a los inconvenientes hallados. 26


- Resultados: Comprende, a manera de anexos, el reporte de la entrada de datos (input data), esfuerzos, desplazamientos y cargas, si como reportes de boletines externos arrojados por CASESAR II como sustento del análisis formal. - Conclu Conclusion siones es y Recome Recomenda ndacio ciones nes:: Consist Consiste e en la emisión emisión de las observ observaci acione oness finales finales producto del estudio. Para el caso del “reporte de cargas” de los soportes civiles especiales a la disciplina civil se deberá elaborar un formato en el que se detalla: Un esquema del soporte con algunas medidas y coordenadas importantes. Las cargas en condiciones de operación, prueba hidrostática y tubería vacía. Esto es adicional al informe y comprende la fase previa al final del análisis.

Fig. 10. Ejemplo de un formato de reporte de cargas a civil SCS-A-008 Valero Ardmore Refinery

27


Anál Anális isis is de carg cargas as y esf esfue uerz rzos os Crite Criterio rios s de de dise diseño ño en tuber tuberías ías

En diseño, se debe prestar muchísima muchísima atención a los siguientes puntos puntos que afectan afectan el análisis análisis de flexibilidad de los sistemas de tubería: - El esfuerzo admisible para las condiciones de diseño de acuerdo al código apropiado que aplica al sistema. - El tipo de material. - El tamaño y espesor de la tubería y el rating de cada componente de tubería. - La presión y la temperatura de diseño. - La geometría de la tubería incluyendo movimientos de anclajes y restricciones. - Limitaciones Limitaciones de fuerzas y momentos momentos en boquillas boquillas de equipos equipos de acuerdo a alguna alguna normativa normativa existente o a la información proporcionada por los fabricantes de los equipos. - Consideraciones metalúrgicas, tales como proteger al material de temperaturas críticas, como acero al carbono por debajo de las temperaturas de transición. 6.2 6.2

Bases Bases con concep ceptu tuale ales s del aná anális lisis is de esfu esfuerz erzos os

El análisis de esfuerzos persigue determinar los efectos de una carga sobre un elemento, definiendo la intensidad y dirección de las fuerzas internas que actúan en un punto dado sobre un plano particular. σ PROM

=

Fuerza Area

Para un elemento muy pequeño:

σ =

de

promedio

sec ción

Lim ∆ A →0

transversal

=

P A

∆ P ∆ A

En este punto debemos recordar que el esfuerzo en un punto que actúa sobre un plano específico es un vector, es decir, tiene magnitud, dirección y sentido. Y y

Tres esfuerzos en cada cara:

yx yz

xy zy

X xz

σ Esfuerzos Cortantes: τab Esfuerzos normales:

x

zx Z

z

Un solo subíndice Dos subíndices: a) Plano b) Su dirección

Fig. 11. Cubo elemental de esfuerzos

28


Se debe recordar, que el esfuerzo depende directamente del material. Los materiales mientras más dúctiles poseen tendencia a fracturar mas tarde que los más frágiles, tal como se puede comprobar e un ensayo de tracción. Su

Sy

Sy

Su

Sf

Sy Su Sf

Sf

Material Dúctil: Ej. Acero al carbono

Resistencia a la fluencia. Resistencia última. Resistencia a la fractura.

Material Frágil: Ej. Fundición Gris

Fig. 12. Curvas esfuerzo - deformación

En tuberías, los materiales mas comúnmente usados son: - Tube Tuberías rías de Aceros Aceros al Carb Carbono ono::

API 5L sin costur costuras. as. API 5L, SAW, Factor (E) 0.95 o mayor. API 5L 46, sin costuras, entre otras.

Tuberías de aleación de acero bajo e intermedio: ASTM A333, sin costura. ASTM A335. ASTM A106 Gr. B, entra otras. Tuberías de Acero Inoxidable:

ASTM A268, sin costuras. ASTM A312, sin costuras, entre otras.

6.3 6.3

Clas Clasif ific icac ació ión n de las las carg cargas as

6.3. 6.3.1 1 Carg Cargas as est estát átic icas as:: Se define como cargas estáticas a todas aquellas que se asocian a los los efectos de peso, efectos de contracción y expansión térmica del material, efectos de reacciones en soportes y a los efectos de la presión interna y externa de la tubería. Entre las cargas debidas al peso se pueden distinguir: - Cargas vivas: corresponden al peso del contenido (agua o fluido de proceso), nieve o hielo. - Cargas muertas: corresponden al peso de la tubería, aislante, bridas, etc. 29


6.3. 6.3.2 2 Carg Cargas as din dinám ámic icas as:: Son las cargas debidas a acciones de origen dinámico como fuerzas de impacto, viento, sismos, vibraciones, etc. También podemos diferenciar las cargas que a las tuberías de la siguiente manera: 6.3. 6.3.3 3 Carg Cargas as sost sosten enid idas as:: Las cargas sostenidas o continuas se refieren a aquellas que se encuentran siempre presentes. Son cargas “no auto limitantes” y se refieren específicamente al peso muerto de las tuberías y a la presión presión.. Normal Normalmen mente te las fallas fallas por sustentac sustentación ión,, son sencill sencillas as de estud estudiar, iar, mas sin embargo son una de las fallas mas críticas ocurridas en un sistema ya que coaccionan el colapso del sistema. 6.3. 6.3.4 4 Carg Cargas as por por expa expans nsió ión: n: Las cargas por expansión expansión se presentan presentan debido a la dilatación o contracció contracción n térmica producida por los cambios de temperatura que experimenta el material de las tuberías en una sistema. Estas son cargas “auto limitantes” y se presentan cuando al sistema de tuberías se le restringe el libre movimiento térmico, provocando con esto la generación de altos esfuerzos en la tubería, o elevadas reacciones en los soportes o en las boquillas de los equipos asociados. Por lo general los orígenes de las fallas por expansión resultan un poco más difíciles de determinar que las fallas por sustentación y la vinculación de las tuberías a los equipos, a otras tuberías o a los soportes, resultan el punto focal de estudio cuando estas se producen. 6.3. 6.3.5 5 Carg Cargas as ocas ocasio iona nale les: s: Este tipo de cargas es aquel que se encuentra presente durante tiempos cortos de la vida de operación del sistema de tuberías, típicamente por abajo del 10% de tiempo. Las c arga argass ocas ocasio iona nales les son son carg cargas as viva vivass aplic aplicad adas as perió periódi dica came ment nte e el vien viento to o las caus causad adas as momentáneamente por fenómenos naturales como sismos, tornados, huracanes, etc. Para el estudio estudio de estos casos de carga (desde el punto de vista estático), estático), se requiere requiere de información información meteorológica y geológica, a partir de datos históricos y/o estadísticos de la zona de instalación de la planta.

6.4 6.4

Clas Clasif ific icac ació ión n de los los esfu esfuer erzo zos s

6.4. 6.4.1 1 Esfu Esfuerz erzos os prim primar arios ios:: Estos Estos esfuerz esfuerzos os son desarro desarrollad llados os princip principalm alment ente e por las cargas cargas mecáni mecánicas cas impues impuestas tas al sistema de tuberías. Son no auto limitantes, esto quiere decir que, si el esfuerzo de fluencia es alcanzado en toda la sección transversal, la falla puede ser prevenida mediante la remoción de la carga impuesta impuesta o por endurecimiento endurecimiento del material. Las cargas que generan estos esfuerzos esfuerzos 30


primarios, son cargas primarias como por ejemplo: la presión interna, el peso propio, las cargas puntuales externas. 6.4. 6.4.2 2 Esfu Esfuerz erzos os secun secunda dario rios: s: Estos son los esfuerzos normales o cortantes producidos por las restricciones estructurales contra los desplazamientos. La característica principal de estos esfuerzos es que son auto limitan limitantes; tes; es decir, decir, una pequeñ pequeña a deform deformaci ación ón local local puede puede ser sufici suficient ente e para para aliviar aliviar los esfuerzos y evitar la falla en la tubería. Entonces, el restringir los desplazamientos térmicos de la tubería, producen esfuerzos de tipo secundarios. 6.4. 6.4.3 3 Esfu Esfuer erzo zoss pic picos os:: Los esfuerzos pico son aquellos que se presentan por las discontinuidades geométricas o por efecto efectoss térmico térmicoss localiz localizado ados. s. Este Este tipo tipo de esfuerzos esfuerzos se suma suma a los esfuerzo esfuerzoss primar primarios ios y secundarios. Su principal característica es que son muy elevados y no producen deformaciones notables. notables. Pueden ser fuente fuente de grietas grietas por fatiga o de fractura fractura frágil y bajo cargas cíclicas, cíclicas, los esfuerzos pico tienden a redistribuirse y a ser aliviados. 6.5 6.5

Conc Concen entr trac ació ión n de esfu esfuer erzo zos s

Como bien se mencionó con anterioridad, el esfuerzo, desde un punto de vista primitivo, es inversamente proporcional al área de la sección en la que este se calcula, por lo tanto, es lógico pensar que a menor área, para una misma carga, mayor será el esfuerzo calculado. De este razonamiento se deriva el hecho que para un cambio de sección en la estructura continua de un sólido habrá puntos en los que se observará una “concentración de esfuerzos”. Haciendo una analogía con lo ocurrido con el flujo dentro de una tubería, cuando se disminuye la sección transversal de la misma el flujo se acelera, pues para un cambio de sección en un sólido las líneas de los esfuerzos se concentran:

Fig. 13. Concentración de esfuerzos

De este concepto, sale la definición del “factor de concentración de esfuerzos”, el cual es un valor obtenido experimentalmen experimentalmente te que depende de la geometría, geometría, muy importante importante en cálculos cálculos de Fatiga, sobretodo para materiales frágiles, y es usualmente reportado a manera de gráficos o tablas.

31


Fig. 14. Factor de concentración de esfuerzos 6.6 6.6

Cálcu Cálculo lo de esfuer esfuerzos zos en tuber tuberías ías

6.6. 6.6.1 1 Esfu Esfuerz erzos os por por presi presión ón:: Esta expresión es empleada mayormente para el cálculo de espesores en tubería. Dependen directamente de la presión interna del fluido.

σ P

=

P ⋅ D

− Y ⋅ P

2 ⋅ ( T − c − tf )

- P = Presión interna.

- D = Diámetro exterior.

- T = Espesor nominal.

- c = Espesor de corrosión.

- tf = Tolerancia de fabricación. temperatura.

- Y = Coeficiente de material y

Cuando se trabaja con temperaturas por debajo de los 900ºF, asumiendo que el diámetro interno de la tubería es d = D − T entonces, si T ≥

d 6

se puede calcular Y =

d d + D

≈ 0.4

6.6. 6.6.2 2 Esfu Esfuerz erzos os por por susten sustenta taci ción ón:: Están asociados a las cargas sostenidas del sistema.

σ L = σ LP + σ LG =

P ⋅ D

(

4 ⋅ T

−

c)

+

i⋅

M Z

- σLP = Esfuerzo por sustentación debido a la presión. - P = Presión interna.




- σLG = Esfuerzo por sustentación debido al peso. - i = Factor de intensificación de esfuerzos. peso.

- M = Momento fl flector ge generado po por el el

- Z = Módulo de la sección. 6.6. 6.6.3 3 Esfu Esfuerz erzos os por por exp expan ansi sión ón:: Se refiere a los esfuerzos asociados a la expansión del sistema.

σ E = σ 1 + σ 2 =

σ b

2

+

4 ⋅ τ

2

32


- σb = Esfuerzos axiales generados por la flexión de la tubería.

- τ = Esfuerzos cortantes generados por la torsión de la tubería.

σ b =

τ =

(i

i

⋅ M i

)

2

+

(i

o

⋅ M o

)

2

Z

M t 2 ⋅ Z

33


Normalización

La normalización se define como la actividad que consiste en el proceso de formular, editar, estab establec lecer er y aplic aplicar ar norm normas as.. Esta Establ blec ece, e, respe respect cto o de prob problem lemas as actu actual ales es o pote potenc ncial iales, es, disposiciones para el uso común y continuado, dirigidas a la obtención del óptimo nivel de orden en un contexto dado. La normalización permite el mejoramiento de la adaptación de productos, procesos y servicios a los fine finess proy proyec ecta tado dos, s, la prev preven enci ción ón de barr barrera erass come comerc rcial iales es y la faci facilit litac ación ión de la cooperación tecnológica. 7.1 7.1

Intr Introd oduc ucci ción ón al al cód códig igo o ASM ASME E

Entre los códigos para diseño de tuberías más empleados se encuentran: ASME B31.3 “Chemical Plants and Petroleum Refinery Piping” - Rige los sistemas de tuberías en plantas de procesos, industria química y de petróleo. ASME B31.4 “Liquid Petroleum transportation Piping systems” - Se utiliza en sistemas de transporte de hidrocarburos líquidos (oleoductos). ASME ASME B31.8 B31.8 “Gas “Gas transm transmissi ission on and distribut distribution ion piping piping system systems” s” - Se utiliz utiliza a en sistemas sistemas de transmisión y distribución de gases (gaseoductos). 7.1. 7.1.1 1 Caso Casoss de de Est Estud udio io:: Los siguientes son los casos de estudio a ser evaluados conforme cada código: B31.3 31.3::

- Esf Esfu uerz erzos de Su Susten stenta tacción ión (In (Inccluye luye Prueb rueba a Hid Hidro rost stát átic ica) a).. - Esfuerzos de Expansión. - Esfuerzos Ocasionales.

B31. B31.4 4 y B31 B31.8 .8::

- Esf Esfue uerz rzos os de de Sus Suste tent ntac ació ión n (In (Incl cluy uye e Prue Prueba ba Hidr Hidros ostá táti tica ca). ).

- Esfuerzos de Expansión. - Esfuerzos Ocasionales. - Esfuerzos en operación. 7.1. 7.1.2 2 Esfu Esfuerz erzos os perm permisi isibl bles: es: Para el código B31.3 el cálculo de los esfuerzos permisibles depende de los esfuerzos en caliente y en frío del material, que por lo general son menores que el esfuerzo por fluencia del mismo. 34


Expansión: Sustentación:

σ L =

σ E

1.25  = f ⋅  ⋅ ( S C + S H ) − S L  Eff 

Ocasional: σ O

S H ⋅ Eff

=

S H ⋅ Eff ⋅ Occ

Donde: - Sc Sc = Esfue sfuerz rzo o per permi misi sib ble en Frío Frío..

- Sh Sh = Esfue sfuerz rzo o per permi misi sibl ble e en en Cal Calie ien nte. te.

- Sl = Esfuerzo Esfuerzo por sustentació sustentación n 1.33)

- Occ = Factor Factor de cargas cargas ocasionales ocasionales (Por defecto defecto =

- Eff = Eficiencia de la junta soldada.

- f = Factor de reducción cíclica.

Numero de ciclos

Factor f

7.000 y menos

1 .0

7.000 – 14.000 14.000 – 22.000

0 .9 0 .8

22.000 – 45.000 45.000 – 100.000

0 .7 0 .6

Más de 100.000

0.5

Por otra parte para los códigos B31.4 y B 31.8 el cálculo de los esfuerzos permisibles se realiza en función del esfuerzo de fluencia de material, por lo que se deduce entonces que estos son menos estrictos que el B31.3. B31.4 Expansión:

σ E

Sustentación: Ocasional: Operación:

B31.8 Expansión:

= 0.72 ⋅ S Y

σ L

σ O

= 0.75 ⋅ 0.72 ⋅ S Y

= 0.8 ⋅ S Y

σ OPE

= 0.9 ⋅ S Y

σ E

Sustentación: Ocasional:

σ O

= 0.72 ⋅ S Y

σ L

= 0.75 ⋅ S Y

= 0.75 ⋅ S Y ⋅ Occ

Operación:

σ OPE

= S Y

Donde: - Sy = Esfu Esfuer erzo zo míni mínimo mo de flue fluenc ncia ia 1.33)

- Occ Occ = Fact Factor or de de carg cargas as oca ocasi sion onal ales es (Po (Porr defe defect cto o=

7.1. 7.1.3 3 Cálc Cálcul ulo o de espeso espesore res: s: De la misma forma que para los esfuerzos admisibles, cada código especifica la expresión empleada para el cálculo de espesores (el valor de T proviene de un proceso iterativo): 35


Para el diseño según el código B31.3:

Se debe cumplir que: T < T

y

P S ⋅ E

P =

2 ⋅ ( 0.875 ⋅ T − c ) ⋅ S ⋅ E

D − 2( 0.875 ⋅ T − c ) ⋅ Y

D 6

≤ 0.385

Donde: - P = Presión interna máxima de operación.




- Y = Co Coeficiente de de ma material y temperatura.

- S = Es Esfuerzo ad admisible en en ca caliente.

- E = Factor de Calidad de la Junta Longitudinal de la Tubería. Para el diseño según el código B31.4:

P =

2 ⋅ ( T − c) ⋅ 0.72 ⋅ S ⋅ E

D

Se debe cumplir que, la temperatura de diseño ese encuentre entre los –20º F (-30º C) y los 250º F (120º C) y la presión de diseño este sobre los 15 psig. Donde: - P = Presión interna máxima de operación.




- S = Esfuerzo mínimo de fluencia del material (ver tabla 402.3.1ª de la norma). - E = Factor de Calidad de la Junta Longitudinal de la Tubería. Para el diseño según el código B31.8:

P =

(

2 ⋅ T − c

) ⋅ S ⋅ F ⋅ E ⋅ t D

Se debe cumplir que, la temperatura de diseño se encuentre entre los –20º F (-30º C) y los 450º F (232º C). Donde: - P = Presión interna máxima de operación.




- S = Esfuerzo mínimo de fluencia del material. material.

- t = Factor de temperatura del

- E = Factor de Calidad de la Junta Longitudinal de la Tubería. 36


- F = Factor de diseño de la tubería (según del entorno). 7.2 7.2

Intr Introdu oducc cción ión al uso uso de las las normas normas API API

Las normas API son estándares de fabricación fabricación de equipos equipos que ofrecen información información importante importante referida a las cargas admisibles en las boquillas de los mismos. Entre las mas empleadas están:

- API-560: “Fired Heaters for General Refinery and Services”. Este estándar cubre los requisitos requisitos mínimos para el diseño, materiales, materiales, fabricación, fabricación, inspección, inspección, prueba, prueba, preparación preparación para el embarque, embarque, y erección erección de calentadore calentadoress de llama, precalentad precalentadores, ores, ventiladores y quemadores, para servicios generales en refinerías. Un calentador de llama es un inte interc rcam ambi biad ador or que que tran transfi sfiere ere calo calorr de la comb combus usti tión ón de un comb combust ustib ible le a líqui líquido doss contenidos ases de tubos dispuestos dentro de un espacio internamente aislado.

37


Fig. 15. Máximas fuerzas, momentos y desplazamientos admisibles (Tabla 7, Pág. 16, API 560)

API-610: “Centrifugal Pumps”. Este estándar comprende los requerimientos mínimos para bombas centrífugas, para el uso en instalaciones petroleras, químicas y en la industria del gas.

Succión en el extremo y descarga superior (End Top)

Succión y descarga laterales (Side-Side) Succión y descarga superiores (Top Top)

Succión y descarga laterales (Side-Side)

38


Fig. 16. Configuración de succión y descarga en bombas centrifugas (Pág. 2-7/8/9, API 610)

39


Fig. 17. Cargas máximas permitidas (Tabla 2-1, Pág. 2-6, API 610)

- API-661: “Air Cooler Heat Exchangers”. Este estándar internacional contempla los requisitos y las recomendaciones para el diseño, mater ateria iale les, s, insp inspec eccción ión, fabri abriccació ación n, prueb rueba a y prep reparac aració ión n para para el emb embarqu arque e de intercambia intercambiadores dores de calor refrigerados refrigerados por aire, para el uso en las industrias industrias de petróleo y gas natural. Este estándar es aplicable a intercambiadores con líos horizontales, pero los conceptos básicos pueden ser aplicados también a otras configuraciones.

40


Fig. 18. Cargas máximas admisibles en boquillas (Tabla 4, Pág. 17, API 661)

API-617: “Centrifugal Compressors”. Este Este estánd estándar ar cubre cubre los requer requerimie imiento ntoss mínimo mínimoss para para compre compresor sores es centríf centrífugo ugoss usados usados en servicios de la industria petrolera, química y del gas natural, que manejen aire o gases. Este estándar no es aplicable a ventiladores o sopladores que operen por debajo de los 34 KPa (5 Psi) manométricos, ya que estos últimos están contemplados por el API 673.

41


Fig. 19. Cargas máximas admisibles (Pág. 95, API 617)

Fig. 20. Resultantes de las fuerzas y momentos (Pág. 96, API 617)

- API-676: “Positive displacement Pumps-Rotary”. Este estándar cubre los requerimient requerimientos os mínimos mínimos bombas bombas rotativas rotativas de desplazamient desplazamiento o positivo positivo empleadas en servicios de la industria petrolera, química y del gas natural.

Fig. 21. Cargas máximas admisibles (Pág. 7, API 676)

En este punto es importante recordar, que aunque aquí se presente un breve resumen de los valores de carga admisibles para ciertos equipos de uso común en refinerías, es necesario leer 42


con detenimiento el contenido de cada norma, a fin de verificar que se satisfagan todas las condiciones impuestas para las que esos valores resultan validos.

43


Sopor oporttes pa para tuber berías ías

Es muy importante tomar en consideración como se va a soportar una tubería al momento de realizar el diseño, ya que el soporte es estructura que ocupa un espacio determinado en los alrededores del sistema de tuberías. Los factores que hay que tomar en cuenta al momento de colocar soportes son, la sencillez, seguridad y costos de los mismo, de allí la necesidad de crear soportes “estándar” fin de simplificar la construcción construcción de los mismos (fabricación (fabricación en serie). Los soportes se colocan principalmente para aguantar la carga por peso de la tubería (aislante, fluido fluido y la tubería tubería misma), pero también también son usados usados para restringir restringir ciertos movimientos movimientos de las mismas (brindar rigidez) y para absorber vibraciones y oscilaciones. A un diseñador, un criterio de colocación de soportes, le permitirá incluir en su diseño, soportes comunes como cristos, pórticos y durmientes, que pueden ser de diseño mecánico (empleando el estándar de soportes) o de diseño civil. El diseñador también está en la capacidad de colocar guías conforme a un criterio de espaciamiento en caso que lo considere necesario. Sin embargo, la validación de la ubicación de los soportes y del espaciamiento entre los mismos, así como la evaluación de las cargas sobre los mismos y la adición de nuevos soportes son actividades propias del analista de flexibilidad. 8.1 8.1

Está Estánd ndar ar de sopo soporrtes tes

Cada proyecto o empresa suele tener un estándar propio de soportes, los cuales parten de unas premisas de cálculo que permiten que estos puedan ser empleados con seguridad. Se debe tene tenerr espe especi cial al cuid cuidad ado o al mome moment nto o de empl emplea earr un sopo soport rte e está estánd ndar ar con con toda todass las las observaciones y notas que se encuentran detrás del diseño de los mismos (espaciamiento, cargas máximas, anclaje de la base, etc.) Los nombres de los soportes “típicos” en un estándar vienen dados a manera de código, el cual responde a una serie de parámetros que lo describen. Ejemplo del sistema de codificación del “Pipe Support Standard” (Valero Ardmore Refinery):

5S 2 C 4 3 Longitud (3”) Altura (4”) Material (Acero al carbono) Tipo (para líneas de 12” a 18”) Designación principal (Shoe o zapata)

Este código se colocará en los isométricos y planos de planta dentro de un recuadro y con una flecha señalando el punto acotado en el que se colocará dicho soporte. Si un soporte involucra a más de una tubería, esté estará señalado en todos los isométricos que involucren a dichas líneas, pero será contabilizado solo en el isométrico de la línea que posea el mayor diámetro. En algunos casos solo para destacar que el soporte esta siendo mencionado 44


mas no contado en un isométrico, el código del mismo irá acompañado de una leyenda “ONLY FOR REFERENCE” o “SOLO COMO REFERENCIA” (dependiendo del idioma en que se maneje el proyecto). Para soportes especiales, es decir, que no son estándar, se emplea una codificación que depende de lo establecido en el proyecto, un ejemplo de codificación de soportes especiales es:

SCS - B - 015 SMS - A - 111 Numeración consecutiva Área o unidad de la planta Designación de tipo de soporte SMS: Special Mechanical Support SCS: Special Civil Support

8.2 8.2

Clas Clasif ific icac ació ión nd de e sop sopor orte tes s

Según el grado de restricción que producen se pueden agrupar en: 8.2. 8.2.1 1 Sopo Soport rtes es Ríg Rígid idos os:: Los soportes rígidos son aquellos que no permiten el desplazamiento de la tubería en la dirección de trabajo, pudiendo ofrecer restricción de movimiento en una o más direcciones. Entre algunos de los soportes rígidos podemos mencionar: - Anclaje: Es una restricción que provee rigidez a translación y rotación alrededor de los tres ejes de referencia, es decir, restringe los 6 grados de libertad en un punto del sistema de tuberías. - Apoy Apoyos os simpl simples: es: Son Son sopor soporte tess que que prov proveen een apoy apoyo o infe inferio riorr a las las tube tubería rías, s, limita limitand ndo o la translación en la dirección positiva al peso de la tubería. Estos soportes pueden ser civiles o mecánicos y pueden poseer una superficie de apoyo deslizante (añadiendo planchas de teflón) o rugosa.

Fig. 22. Ejemplos de soportes de apoyo simple

45


- Guía Guía:: Es un elem elemen ento to que lim limita ita el movim ovimie ient nto o de la tub tubería ería en las las direc irecci cion ones es perpendiculares a su eje axial.

Fig. 23. Ejemplos de guías

- Anclaje direccional , Límite o Stop: Es un elemento que limita el movimiento de translación de la tubería en su dirección axial.

Fig. 24. Ejemplos de anclajes direccionales

- Base support, Dummy o Trunion: Es un elemento que limita el movimiento de translación de la tubería en su dirección axial.

Fig. 25. Ejemplos de dummys y trunions

8.2. 8.2.2 2 Sopo Soport rtes es Flex Flexib ible les: s: Este Este tipo tipo de sopo soport rtes es perm permit iten en ciert ciertos os desp desplaz lazam amien iento toss de la tube tubería ría,, por por efec efecto to de la expansión térmica, sin producir altos esfuerzos sobre la tubería. Entre Entre algunos de los soportes flexibles están: - Amortiguador (Snubber): Es un dispositivo que aumenta el coeficiente de amortiguamiento de un sistema, ofreciendo alta resistencia contra desplazamientos rápidos provocados por cargas diná dinámi mica cas, s, a la vez vez que que perm permit iten en libr libre e movi movimi mien ento to bajo bajo desp despla laza zami mien ento toss apli aplica cado doss gradualmente.

Fig. 26. Amortiguador (vista rotado 90º)

46


- Soportes tipo resorte de carga variable (Variable spring hanger): Este tipo de soporte puede sostener la tubería permitiendo el desplazamiento de la misma en forma vertical pero incorpora a ésta esfuerzos debidos a los cambios en carga del resorte.

Fig. 27. Resortes de carga variable

- Soportes tipo resorte de carga constante (Constant spring hanger): Es un soporte capaz de aplicar aplicar una fuerza relativamente relativamente constante constante bajo cualquier cualquier desplazamiento desplazamiento dentro de su rango de operación.

Fig. 28. Resortes de carga constante 8.3 8.3

Espac Espaciam iamien iento to de guías guías y sopo soport rtes es

8.3.1 8.3.1 Separac Separación ión máxima máxima entre entre soport soportes: es: Para establecer la separación máxima entre soportes simples, usualmente se emplean tablas definidas por el estándar de soportes del proyecto. Estas tablas provienen de un cálculo en el que intervienen la deflexión máxima permitida para un tramo de tubería y el peso total de dicho tramo. Las tablas que se presentan a continuación son las empleadas en la guía de diseño de soportes de VEPICA. Las tablas 1 y 2 muestran el espaciamiento o “SPAN” entre soportes para tubería de acero al carbono carbono ASTM A53 Gr. B con 1,6 mm de espesor de corrosión, corrosión, mientras mientras que las tablas 3 y 4, están hechas para tubería de acero inoxidable inoxidable ASTM A312-TP304 A312-TP304 con espesor de corrosión de 0,5 mm; todas bajo las siguientes premisas: - Deflexión máxima permitida: min. { 1” y ¼”φExt }. (662º F).

- Temperatura máxima: 350º C

- Aislamiento: Silicato de calcio con 40 mm de espesor. 47


- Esfuerzo admisible de flexión: ½ Samd según ASME B31.3. Tabla 1: Espaciamiento máximo recomendado para acero al carbono ASTM A53 Gr. B (mm) Espaciamiento máximo recomendado "L" [mm] Extremo libre (espaciamiento único) Línea continua ESPACIAMIENTO ENTRE SOPORTES - ACERO AL CARBONO

Diámetro nominal [pulg] 1

1½

2

3

4

6

8

10

12

14

16

18

20

24

Schedule

Sin contenido

Sin contenido, con aislamiento

Agua

Agua, aislamento

Sin contenido


Agua

Agua, aislamento

40-STD 80-XS XXS 40-STD 80-XS XXS 40-STD 80-XS XXS 40-STD 80-XS XXS 40-STD 80-XS XXS 40-STD 80-XS XXS 30 40-STD 80-XS XXS 30 40-STD 60-XS 140-XXS 30 40 60 80 30-STD 40 80 30-STD 40-XS 80 ST D 40 80 20-STD 30-XS 60 20-STD XS 60

4204 4433 4542 5716 6001 6140 6961 7294 7443 9840 10072 10111 12127 12392 12428 14967 15263 15237 17102 17272 17553 17557 19261 19449 19665 19699 21096 21315 21521 21578 22273 22420 22662 23833 24103 24295 25297 25675 25827 26681 27000 27255 29253 29616 29964

3744 4035 4278 5195 5569 5869 6390 6835 7164 9275 9629 9854 11091 11897 12162 14194 14829 14997 16275 16660 17131 17298 18565 18846 19205 19450 20390 20723 21076 21206 21614 21844 22304 23134 23559 23956 24561 25159 25503 25909 26400 26868 28414 28964 29607

3998 4286 4505 5328 5721 6045 6402 6892 7293 8894 9471 9881 10011 11132 12074 11991 13599 14703 12833 13595 15432 16699 14129 15081 16597 18629 15137 16359 18040 18914 16261 17193 19885 16750 18582 21309 17160 19873 22649 17509 19599 22675 18071 20368 24981

3623 3941 4250 4941 5370 5793 5872 6535 7039 8161 9138 9650 9324 10496 11733 11376 13040 14499 12266 13031 14917 16444 13604 14560 16102 18406 14645 15870 17575 18474 15787 16722 19464 16301 18137 20911 16734 19451 22272 17104 19189 22290 17703 19989 24627

2812 2964 3037 3823 4013 4106 4655 4878 4978 6581 6736 6762 8110 8287 8311 10009 10207 10190 11437 11551 11738 11741 12881 13007 13151 13173 14108 14254 14392 14430 14895 14993 15155 15938 16119 16247 16917 17170 17272 17843 18056 18226 19563 19805 20038

2504 2698 2861 3474 3724 3925 4273 4571 4791 6203 6439 6590 7700 7975 8133 9595 9917 10029 10974 11141 11456 11568 12415 12603 12843 13007 13636 13858 14094 14181 14454 14608 14916 15471 15755 16020 16425 16825 17055 17326 17655 17967 19001 19369 19799

2674 2867 3013 3563 3826 4043 4281 4609 4877 6026 6334 6607 7315 7714 8074 8819 9391 9832 9745 10030 10686 11167 10804 11162 11710 12458 11670 12132 12740 13045 12382 12732 13692 12993 13685 14655 13544 14576 15560 14046 14861 15985 14755 15856 17560

2423 2636 2842 3305 3591 3874 4015 4370 4707 5772 6111 6453 7059 7490 7919 8590 9196 9697 9527 9820 10507 11031 10601 10968 11534 12331 11479 11949 12575 12893 12200 12556 13547 12818 13520 14518 13375 14420 15430 13883 14705 15849 14455 15708 17436

48

Taller Fundamentos de Análisis de Flexibilidad en Tuberías. Tabla 2: Espaciamiento máximo recomendado para acero al carbono ASTM A53 Gr. B (ft) Espaciamiento máximo recomendado "L" [ft] Extremo libre (espaciamiento único) Línea continua ESPACIAMIENTO ENTRE SOPORTES - ACERO AL CARBONO

Diámetro nominal [pulg] 1

1½

2

3

4

6

8

10

12

14

16

18

20

24

Schedule

Sin contenido


Agua

Agua, aislamento

Sin contenido


Agua

Agua, aislamento

40-STD 80-XS XXS 40-STD 80-XS XXS 40-STD 80-XS XXS 40-STD 80-XS XXS 40-STD 80-XS XXS 40-STD 80-XS XXS 30 40-STD 80-XS XXS 30 40-STD 60-XS 140-XXS 30 40 60 80 30-STD 40 80 30-STD 40-XS 80 ST D 40 80 20-STD 30-XS 60 20-STD XS 60

13,8 14,5 14,9 18,8 19,7 20,1 22,8 23,9 24,4 32,3 33,0 33,2 39,8 40,7 40,8 49,1 50,1 50,0 56,1 56,7 57,6 57,6 63,2 63,8 64,5 64,6 69,2 69,9 70,6 70,8 73,1 73,6 74,3 78,2 79,1 79,7 83,0 84,2 84,7 87,5 88,6 89,4 96,0 97,2 98,3

12,3 13,2 14,0 17,0 18,3 19,3 21,0 22,4 23,5 30,4 31,6 32,3 36,4 39,0 39,9 46,6 48,7 49,2 53,4 54,7 56,2 56,8 60,9 61,8 63,0 63,8 66,9 68,0 69,1 69,6 70,9 71,7 73,2 75,9 77,3 78,6 80,6 82,5 83,7 85,0 86,6 88,1 93,2 95,0 97,1

13,1 14,1 14,8 17,5 18,8 19,8 21,0 22,6 23,9 29,2 31,1 32,4 32,8 36,5 39,6 39,3 44,6 48,2 42,1 44,6 50,6 54,8 46,4 49,5 54,5 61,1 49,7 53,7 59,2 62,1 53,3 56,4 65,2 55,0 61,0 69,9 56,3 65,2 74,3 57,4 64,3 74,4 59,3 66,8 82,0

11,9 12,9 13,9 16,2 17,6 19,0 19,3 21,4 23,1 26,8 30,0 31,7 30,6 34,4 38,5 37,3 42,8 47,6 40,2 42,8 48,9 54,0 44,6 47,8 52,8 60,4 48,0 52,1 57,7 60,6 51,8 54,9 63,9 53,5 59,5 68,6 54,9 63,8 73,1 56,1 63,0 73,1 58,1 65,6 80,8

9,2 9,7 10,0 12,5 13,2 13,5 15,3 16,0 16,3 21,6 22,1 22,2 26,6 27,2 27,3 32,8 33,5 33,4 37,5 37,9 38,5 38,5 42,3 42,7 43,1 43,2 46,3 46,8 47,2 47,3 48,9 49,2 49,7 52,3 52,9 53,3 55,5 56,3 56,7 58,5 59,2 59,8 64,2 65,0 65,7

8,2 8,9 9,4 11,4 12,2 12,9 14,0 15,0 15,7 20,4 21,1 21,6 25,3 26,2 26,7 31,5 32,5 32,9 36,0 36,6 37,6 38,0 40,7 41,3 42,1 42,7 44,7 45,5 46,2 46,5 47,4 47,9 48,9 50,8 51,7 52,6 53,9 55,2 56,0 56,8 57,9 58,9 62,3 63,5 65,0

8,8 9,4 9,9 11,7 12,6 13,3 14,0 15,1 16,0 19,8 20,8 21,7 24,0 25,3 26,5 28,9 30,8 32,3 32,0 32,9 35,1 36,6 35,4 36,6 38,4 40,9 38,3 39,8 41,8 42,8 40,6 41,8 44,9 42,6 44,9 48,1 44,4 47,8 51,1 46,1 48,8 52,4 48,4 52,0 57,6

7,9 8,6 9,3 10,8 11,8 12,7 13,2 14,3 15,4 18,9 20,0 21,2 23,2 24,6 26,0 28,2 30,2 31,8 31,3 32,2 34,5 36,2 34,8 36,0 37,8 40,5 37,7 39,2 41,3 42,3 40,0 41,2 44,4 42,1 44,4 47,6 43,9 47,3 50,6 45,5 48,2 52,0 47,4 51,5 57,2

49

Taller Fundamentos de Análisis de Flexibilidad en Tuberías. Tabla 3: Espaciamiento máximo recomendado para acero inoxidable ASTM A312TP304 (mm) Espaciamiento máximo recomendado "L" [mm] Extremo libre (espaciamiento único)

Línea continua ESPACIAMIENTO ENTRE SOPORTES - ACERO INOXIDABLE

Diámetro nominal [pulg]

1

2

3

4

6

8

10

12

14 16 18 20 24

Schedule

Sin contenido


Agua

Agua, aislamento

Sin contenido


Agua

Agua, aislamento

5S 10S 40S 80S 5S 10S 40S 80S 5S 10S 40S 80S 5S 10S 40S 80S 5S 10S 40S 80S 5S 10S 40S 80S 5S 10S 40S 80S 5S 10S 40S 80S 5S 10S 5S 10S 5S 10S 5S 10S 5S 10S

4530 4692 4712 4708 7267 7571 7652 7665 10026 10258 10397 10381 12231 12525 12734 12719 15155 15312 15561 15536 17309 17567 17831 17802 19549 19709 19972 19958 21481 21541 21795 21795 22472 22610 24083 24185 25558 25662 27060 27169 29780 29873

3744 4105 4196 4286 6166 6769 7025 7182 8502 9322 9800 9924 9753 10890 12089 12239 13064 13739 14917 15094 15004 16114 17199 17373 17699 18446 19352 19491 20149 20315 21145 21294 20926 21378 22626 22876 25365 24282 25611 25890 28389 28637

4059 4401 4481 4553 5961 6731 7038 7242 7321 8484 9520 9761 7691 9031 11003 11690 9367 10235 12922 14048 9754 11189 14445 15824 11088 12144 15853 17044 12463 12933 16693 17959 12310 13355 12839 13607 24146 13812 13983 14930 15252 16193

3536 3946 4061 4187 4951 6241 6601 6868 6429 7576 9082 9418 6902 8205 10248 11022 8689 9537 12260 13470 9173 10573 13846 15296 10556 11590 15305 16535 11962 12424 16178 17470 11844 12871 12406 13161 24001 13399 13598 14531 14899 15829

3029 3137 3151 3149 4860 5063 5117 5126 6705 6860 6953 6942 8179 8376 8516 8506 10135 10240 10406 10389 11576 11747 11925 11905 13074 13180 13356 13347 14365 14405 14575 14575 15028 15120 16105 16173 17091 17162 18096 18169 19915 19977

2504 2745 2806 2866 4123 4526 4698 4803 5900 6234 6553 6637 7231 7641 8085 8185 9219 9454 9976 10094 10553 10937 11502 11618 12111 12364 12941 13035 13485 13586 14140 14240 14068 14296 15131 15298 16963 16238 17127 17314 18985 19151

2715 2943 2996 3045 4052 4502 4706 4843 5476 5894 6366 6528 6280 6958 7681 7917 7649 8160 9169 9560 7964 9113 10355 10838 9054 9915 11462 11885 10176 10560 12274 12731 10051 10905 10483 11110 16148 11278 11417 12190 12453 13221

2365 2639 2715 2800 3693 4174 4415 4593 5131 5570 6098 6298 5635 6633 7413 7687 7095 7787 8931 9361 7490 8633 10138 10655 8619 9463 11262 11706 9767 10144 12083 12557 9670 10509 10130 10746 16050 10940 11103 11865 12165 12924

50

Taller Fundamentos de Análisis de Flexibilidad en Tuberías. Tabla 4: Espaciamiento máximo recomendado para acero inoxidable ASTM A312TP304 (ft) Espaciamiento máximo recomendado "L" [ft] Extremo libre (espaciamiento único)

Línea continua ESPACIAMIENTO ENTRE SOPORTES - ACERO INOXIDABLE

Diámetro nominal [pulg]

1

2

3

4

6

8

10

12

14 16 18 20 24

Schedule

Sin contenido


Agua

Agua, aislamento

Sin contenido


Agua

Agua, aislamento

5S 10S 40S 80S 5S 10S 40S 80S 5S 10S 40S 80S 5S 10S 40S 80S 5S 10S 40S 80S 5S 10S 40S 80S 5S 10S 40S 80S 5S 10S 40S 80S 5S 10S 5S 10S 5S 10S 5S 10S 5S 10S

14,9 15,4 15,5 15,4 23,8 24,8 25,1 25,1 32,9 33,7 34,1 34,1 40,1 41,1 41,8 41,7 49,7 50,2 51,1 51,0 56,8 57,6 58,5 58,4 64,1 64,7 65,5 65,5 70,5 70,7 71,5 71,5 73,7 74,2 79,0 79,3 83,9 84,2 88,8 89,1 97,7 98,0

12,3 13,5 13,8 14,1 20,2 22,2 23,0 23,6 27,9 30,6 32,2 32,6 32,0 35,7 39,7 40,2 42,9 45,1 48,9 49,5 49,2 52,9 56,4 57,0 58,1 60,5 63,5 63,9 66,1 66,7 69,4 69,9 68,7 70,1 74,2 75,1 83,2 79,7 84,0 84,9 93,1 94,0

13,3 14,4 14,7 14,9 19,6 22,1 23,1 23,8 24,0 27,8 31,2 32,0 25,2 29,6 36,1 38,4 30,7 33,6 42,4 46,1 32,0 36,7 47,4 51,9 36,4 39,8 52,0 55,9 40,9 42,4 54,8 58,9 40,4 43,8 42,1 44,6 79,2 45,3 45,9 49,0 50,0 53,1

11,6 12,9 13,3 13,7 16,2 20,5 21,7 22,5 21,1 24,9 29,8 30,9 22,6 26,9 33,6 36,2 28,5 31,3 40,2 44,2 30,1 34,7 45,4 50,2 34,6 38,0 50,2 54,3 39,2 40,8 53,1 57,3 38,9 42,2 40,7 43,2 78,7 44,0 44,6 47,7 48,9 51,9

9,9 10,3 10,3 10,3 15,9 16,6 16,8 16,8 22,0 22,5 22,8 22,8 26,8 27,5 27,9 27,9 33,3 33,6 34,1 34,1 38,0 38,5 39,1 39,1 42,9 43,2 43,8 43,8 47,1 47,3 47,8 47,8 49,3 49,6 52,8 53,1 56,1 56,3 59,4 59,6 65,3 65,5

8,2 9,0 9,2 9,4 13,5 14,9 15,4 15,8 19,4 20,5 21,5 21,8 23,7 25,1 26,5 26,9 30,2 31,0 32,7 33,1 34,6 35,9 37,7 38,1 39,7 40,6 42,5 42,8 44,2 44,6 46,4 46,7 46,2 46,9 49,6 50,2 55,7 53,3 56,2 56,8 62,3 62,8

8,9 9,7 9,8 10,0 13,3 14,8 15,4 15,9 18,0 19,3 20,9 21,4 20,6 22,8 25,2 26,0 25,1 26,8 30,1 31,4 26,1 29,9 34,0 35,6 29,7 32,5 37,6 39,0 33,4 34,6 40,3 41,8 33,0 35,8 34,4 36,5 53,0 37,0 37,5 40,0 40,9 43,4

7,8 8,7 8,9 9,2 12,1 13,7 14,5 15,1 16,8 18,3 20,0 20,7 18,5 21,8 24,3 25,2 23,3 25,5 29,3 30,7 24,6 28,3 33,3 35,0 28,3 31,0 36,9 38,4 32,0 33,3 39,6 41,2 31,7 34,5 33,2 35,3 52,7 35,9 36,4 38,9 39,9 42,4

51


Cuando en el ruteo de la tubería, de presentan cambios de dirección intersecciones o secciones de peso peso conc concen entr trad ado o o de aplic aplicac ació ión n de carg cargas as punt puntua uales les,, se suel suele e acor acorta tarr el “SPA “SPAN” N” multiplicándolo por un factor de corrección. Los siguientes son factores que se pueden emplear para corregir el espaciamiento: Para cambios de dirección: En el plano horizontal: (ramales):

En dos planos:

Por derivaciones

L' = 0,65 ⋅ L

L' = 0,75 ⋅ L

L ' = 0,70 ⋅ L

Para fuerzas concentradas: L' = C ⋅ L

- a: Distancia mínima del soporte a la carga concentrada. - P: Peso de la carga concentrada.

α =

a L

- W: Peso total distribuido de la tubería. - L: Span de la tubería sin peso concentrado. concentrado. β =

P W ⋅ L

Tabla 5: Factor de corrección por cargas concentradas "C" α 0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,10

0,97

0,95

0,94

0,93

0,92

0,92

0,92

0,92

0,92

0,93

0,25

0,93

0,89

0,85

0,83

0,81

0,80

0,80

0,81

0,82

0,83

0,50

0,87

0,79

0,73

0,69

0,66

0,65

0,65

0,66

0,67

0,69

0,75

0,82

0,70

0,62

0,58

0,55

0,54

0,54

0,54

0,56

0,58

1,00

0,77

0,63

0,54

0,49

0,46

0,45

0,45

0,46

0,47

0,50

1,25

0,72

0,56

0,48

0,43

0,40

0,39

0,38

0,39

0,41

0,43

1,50

0,67

0,51

0,42

0,37

0,35

0,34

0,33

0,34

0,36

0,38

2,00

0,60

0,42

0,34

0,30

0,27

0,26

0,26

0,27

0,28

0,30

2,50

0,53

0,36

0,28

0,24

0,23

0,22

0,21

0,22

0,23

0,25

3,00

0,48

0,31

0,24

0,21

0,19

0,18

0,18

0,19

0,20

0,21

4,00

0,39

0,24

0,19

0,16

0,15

0,14

0,14

0,14

0,15

0,16

5,00

0,33

0,20

0,15

0,13

0,12

0,11

0,11

0,11

0,12

0,13

6,00

0,28

0,17

0,13

0,11

0,10

0,09

0,09

0,10

0,10

0,11

7,00

0,25

0,14

0,11

0,09

0,08

0,08

0,08

0,08

0,09

0,09

8,00

0,22

0,13

0,10

0,08

0,07

0,07

0,07

0,07

0,08

0,08

9,00

0,20

0,11

0,08

0,07

0,07

0,06

0,06

0,06

0,07

0,07

10,00

0,18

0,10

0,08

0,06

0,06

0,06

0,06

0,06

0,06

0,07

52


8.3. 8.3.2 2 Sepa Separac ración ión entr entre e guí guías as:: Es recomendable colocar guías en el recorrido del sistema, sobre todo si son tuberías muy largas, para evitar que estas se desplacen y puedan colisionar con tuberías vecinas en caso que ocurra un sismo o un fenómeno eventual en el sistema de tuberías. Se deben ubicar ubicar las guías según lo especificad especificado o en las tablas de espaciamient espaciamiento o recomendad recomendado o siempre que estas no afecten negativamente la flexibilidad del sistema. Por lo general se evita colocarlas en zonas cercanas a los codos para no disminuir la flexibilidad del sistema, se procura dejar el equivalente a 40 diámetros en cruces y lazos de expansión. La siguiente tabla proviene del documento DIC-121-G07 “Guía de diseño de soportes” de VEPICA, y muestra el espaciamiento recomendado para la colocación de guías en tuberías horizontales: Tabla 6: Ubicación de guías en líneas horizontales.

Diámetro NPS in 1 1½ 2 3 4 6 8 10 12 14 16 18 20 24

Espaciado entre guías ft m 6 2,13 10 3,05 10 3,05 20 6,10 20 6,10 40 12,19 40 12,19 60 12,19 40 18,29 60 18,29 60 18,29 60 18,29 60 18,29 60 18,29

Tabla 7: Ubicación de guías en líneas horizontales para tramos largos (pipe rack)

Diámetro NPS in Menores de 2 2-6 8 - 24 Mayores de 24

Espaciado entre guías ft m 6 1,83 12 3,66 18 5,49 24 7,32

Por otra parte, también se debe prestar atención al guiado de las tuberías verticales, no solo por el caso de sismos y otros casos eventuales, sino también por los efectos del viento. De la mism misma a mane manera ra como como se pres presen entó tó en la tabl tabla a 6, la sigu siguie ient nte e tabl tabla a mues muestr tra a el espaciamiento recomendado para la colocación de guías en tuberías verticales:

53

Taller Fundamentos de Análisis de Flexibilidad en Tuberías. Tabla 8: Ubicación de guías en líneas verticales.

Espesor Diámetr de o NPS aislamien to in in 1 1 1½ 1 2 1 3 1 4 1 6 2 8 2 10 2 12 2 14 2 16 3 18 3 20 3 24 3

Espaciado entre guías Presión de viento 40 lb/ft3

Presión de viento 30 lb/ft3 ft 22 23 24 27 29 33 37 41 45 47 50 53 56 60

m 6,71 7,01 7,32 8,23 8,84 10,06 11,28 12,50 13,72 14,33 15,24 16,15 17,07 18,29

ft 17 17 18 20 22 25 28 31 34 35 38 40 42 45

Presión de viento 50 lb/ft3

m 5,18 5,18 5,49 6,10 6,71 7,62 8,53 9,45 10,36 10,67 11,58 12,19 12,80 13,72

ft 13 14 14 16 17 20 22 25 27 28 30 32 34 36

m 3,96 4,27 4,27 4,88 5,18 6,10 6,71 7,62 8,23 8,53 9,14 9,75 10,36 10,97

Por ejemplo, para las tuberías que bajan de recipientes, es recomendable que estas desciendan lo más cercano al recipiente de manera que pueda soportarse y guiarse con soportes tipo “clip” solidarios al mismo. Existe un criterio para la colocación de guías y soportes en tuberías verticales que bajan de recipientes, el cual se describe a continuación:

Fig. 29. Ubicación de guías y soportes en tuberías verticales.

Donde: la distancia mínima a la soldadura del tangent-line del recipiente es:

h min = 2"⇒ 51mm

' = L − h min De manera que la longitud efectiva a soportar Les:

Si decimos que: L' = 2 ⋅ H ±1m ⇒

H 1 =

L +1m 2

H 2 y=

L −1m 2

54


Se sustituye cualquiera de las dos alturas calculadas como valor de H en la figura 22, y se verifica que para el diámetro correspondiente, el “span” resultante (H) se encuentre por dejado del valor máximo de la tabla 8. En caso que este valor sea mayor, se deberán colocar las guías que fuesen necesarias para que se cumpla con el "span". 8.4 8.4

Crite Criterio rios s para para la colo colocac cación ión de de sopor soportes tes

Para casi todas las funciones de apoyo o soporte, existen varias opciones de accesorios en tamaños y tipos, los cuales pueden ser usados dependiendo de las restricciones físicas del diseño, además de la magnitud de las cargas. Los criterios de selección de los soportes obedecen entonces a la función del mismo, de las limitaciones de espacio y físicas existentes, y del aspecto económico:

- En las tubería tuberíass que que requier requieren en aislam aislamien iento, to, los element elementos os de diseñados de forma que facilite la colocación del aislamiento.

soport soporte e

deben deben

estar estar

El material de la tubería y de los accesorios que mantienen contacto deben ser compatibles. Esto debe ser así para reducir los efectos de la corrosión galvánica, sobre todo en ambientes húmedos. - Se deben colocar soportes sobre la tubería y no sobre sus componentes. - Se deben colocar soportes en tramos de tuberías que no requieran de remoción frecuente. - Se debe tratar de colocar soportes lo más cercano posible a grandes concentraciones de cargas, como por ejemplo válvulas (DISEÑO / FLEXIBILIDAD). - Se debe verificar que la distancia entre soportes está de acuerdo al “SPAN” especificado para el proyecto (DISEÑO / FLEXIBILIDAD). - Se debe tratar de acortar el “SPAN” en los tramos inmediatos a los cambios de dirección (DISEÑO). - Es importante que para fijar soportes a estructuras civiles, se debe tener la aprobación de dicha disciplina (DISEÑO / FLEXIBILIDAD). - Para los casos de prueba hidrostática hay que verificar la necesidad de soportes temporales (FLEXIBILIDAD). - La selección de la altura a la cual se va a trazar una tubería, de no haber otras variables mandat mandatoria orias, s, debería debería escoger escogerse se dentro dentro de las alturas alturas ya estand estandariz arizada adas, s, para para facilit facilitar ar la colocación de varias tuberías con el mismo B.O.P. a ser soportadas por un mismo soporte (DISEÑO). - La altura de los soportes que se apoyan en el nivel del suelo de la planta planta debe ser contada contada a partir de la cota más baja del mismo (DISEÑO).

55


- Se debe colocar, preliminarment preliminarmente, e, guías según el “SPAN” “SPAN” para cargas sísmicas, que deberán ser verificadas por el analista de flexibilidad en las líneas que lleven análisis formal (DISEÑO / FLEXIBILIDAD). - En los isométricos solamente solamente se indicará indicará el “GAP” del soporte, cuando sea distinto distinto del típico indicado en los estándares, (es decir ± 3 mm ó ± 1/8” ), según resulte de los análisis de flexibilidad (FLEXIBILIDAD). - En los isométricos se indicará la orientación de dummys o trunions en tuberías verticales y horizontales (DISEÑO). - Se debe verificar que la instalación de un soporte no tiene interferencias con equipos, fundaciones, bancadas, tanquillas, tuberías u otras (DISEÑO). - Se debe verificar que las tuberías que se apoyan en el nivel de suelo están a una altura, en lo posible, que permita usar soportes estándar para su apoyo sobre el mismo (DISEÑO). - A la entrada y salida de los equipos rotativos se debe procurar utilizar soportes ajustables, según los resultados del análisis de flexibilidad (FLEXIBILIDAD). - La soportería que va a equipos debe ser remitida a la disciplina de equipos (FLEXIBILIDAD). - Solo serán creados soportes especiales cuando no es posible la colocación de ningún soporte estándar (DISEÑO / FLEXIBILIDAD). - Las válvulas de alivio deben estar bien soportadas, esto significa que a la salida debe ir sujeta con con abraz abrazad adera erass y en la entr entrad ada a debe deben n guia guiarse rse,, en la medi medida da de lo posi posibl ble e (DIS (DISEÑ EÑO O / FLEXIBILIDAD). - La distancia entre la soldadura de un soporte a la tubería (zapatas, trunions, etc.) y una soldadura circunferencial de la misma, debe ser, como mínimo 50 mm (DISEÑO). - Se debe debe veri verifi fica carr que que las las carg cargas as en los los sopo soport rtes es esté estén n dent dentro ro del del rang rango o perm permit itid ido o (FLEXIBILIDAD). - En los puntos de apoyo de estaciones de control, el primer soporte en la dirección del flujo debe ser un soporte fijo, los siguientes serán soportes deslizantes, siempre y cuando esta conf config igur urac ació ión n no prod produz uzca ca prob proble lema mass dura durant nte e el anál anális isis is de flex flexib ibil ilid idad ad (DIS (DISEÑ EÑO O / FLEXIBILIDAD). - No se debe someter a esfuerzos de torsión las vigas del pipe rack, adosando soportes a las mismas. (FLEXIBILIDAD). - Es impo import rtan ante te no colo coloca carr guía guíass en las las zona zonass cerc cercan anas as a los codo codos, s, pues pues podr podría ía verse verse compro compromet metida ida la flexibilid flexibilidad ad de la línea. línea. Podría Podría tomarse tomarse distanci distancia a igual igual o mayores mayores a 40 Ø (DISEÑO / FLEXIBILIDAD). FL EXIBILIDAD). - Los esquemas de los soportes especiales civiles deben contener los datos suficientes para que la disciplina civil pueda proceder a su diseño, tales como: coordenadas, indicación del norte, dimensiones, T.O.S., cargas, nombre de las líneas que reposan en el soporte, entre otros (DISEÑO / FLEXIBILIDAD). FL EXIBILIDAD). - En el caso de soportes ubicados en el límite de dos planos de áreas de procesos, se codificarán en el plano en que se encuentre al norte y al este (DISEÑO). 56


- En el caso de soportes ubicados en el límite de área de procesos y uno del pipe rack, se codificarán en el plano del pipe rack (DISEÑO). - Las líneas de 16” y mayores deben ser verificadas verificadas por aplastamiento aplastamiento y colocarles colocarles concha de refuerzo en caso que se requiera (FLEXIBILIDAD). - Para las líneas con aislamiento debe tomarse en consideración la altura de la zapata para localizar el BOP de la tubería. Las líneas de 2” o menores, dependiendo de los lineamientos del proyecto, suelen no llevar zapatas (DISEÑO). - En el caso de colocar soportes tipo dummy al piso, que lleven algún tipo de restricción (guías, límites, anclajes), las cargas sobre dichos soportes deberán ser suministradas a civil, con el objeto de verificar las reacciones sobre la fundación estándar o para proceder a diseñar, por civil, la fundación requerida (FLEXIBILIDAD). (FLEXIBILIDAD). - Las líneas de 2” o menores, menores, en general, general, dependiendo dependiendo de los lineamientos lineamientos del proyecto, proyecto, serán soportadas en campo, a excepción de aquellas que se citan a continuación: frías, conectadas a compresores compresores reciprocantes reciprocantes (por vibración), vibración), provenientes provenientes de columnas, columnas, con temperatura temperatura de operación mayor a 400º C o con fluidos letales o peligrosos (DISEÑO). - Las guías, guías, tanto tanto vertic verticales ales como horizo horizonta ntales les se pueden pueden emplea emplearr para para direcci direcciona onarr los desplazamientos de las tuberías hacia donde se optimice la flexibilidad y los esfuerzos sobre las mismas y los equipos e quipos involucrados (FLEXIBILIDAD). - Los dummys y trunions deben ser acotados en los isométricos, dando su diámetro, longitud y orientación. La longitud se calcula desde el “center line” de la tubería (DISEÑO). 8.5 8.5

Sopo Soport rtes es tip tipo o Pick Pick-U -Up p

Son soportes empleados para brindar apoyo a líneas de diámetros muy pequeños (menores a 1”) vinculándolas a otras de diámetro mayor. Se recomienda cuando no hay más opciones de apoyo.

Fig. 30. Soportes Pick-Up.

Es necesario verificar el espaciamiento entre soportes de la línea apoyo (de mayor diámetro). Si la distancia entre soporte o “span” es igual al espaciamiento máximo permitido, no se puede utilizar esa línea como apoyo. Si la distancia entre soportes es menor al “span”, entonces se debe: - Calcular el peso que la tubería puede soportar (P1). Calcular el peso de la o la(s) tubería(s) a ser soportada(s) (P2). 57


Si P2 es menor o igual a P1, se puede colocar el soporte tipo pick up.

Fig. 31. Ejemplo de soporte Pick-Up.

A continuación se muestra un ejemplo de verificación basado en la figura anterior: Tubería de apoyo: 4” SCH 40. Si el espaciamiento máximo de la tubería de 4” SCH 40 es 9343 mm. Span máximo - Span real: 9343 mm - 7500 mm = 1843 mm. Quiere decir que podemos hacer el calculo del peso: Para ara tube tuberí ría a 4” SCH SCH 40 las las dens densid idad ades es lin lineale ealess son: son: lb/ft P1= Peso de 1843 mm

⇒

Tub Tubería ería sola sola:: 10,7 10,79 9 lb/f lb/ftt

Agua 5,50 5,50

Peso de 6,05 ft ⇒

P1 = 6,05 ft x (10,79 + 5,50) lb/ft = 98,5 lb. Tubería a apoyar: 1” SCH XS. El espaciamiento máximo de de la tubería de 1” SCH XS es 3941 mm. Si se coloca el Pick up en el medio a 3750 mm. Para Para tub tuberí ería a 1” SCH SCH XS XS las las den densi sida dade dess lineal lineales es son son:: Agua 0,312 lb/ft P2 = Peso de 3750 mm

⇒

Peso de 12,30 ft ⇒

Tube Tubería ría sola: sola: 2,17 2,17 lb/ lb/ft ft

P2 = 12,30 ft x (2,17 + 0,312) lb/ft = 30,5 lb.

Como P2 = 30,5 lb. < P1 = 98,5 lb. Se puede colocar el pick-up, es decir, el peso de la tubería a apoyar es menor que el peso que la tubería de apoyo puede soportar. 58


8.6 8.6

Colo Coloca caci ción ón de de Zapa Zapata tas s

Se instalarán zapatas (SHOES) o patines en los puntos de soporte de la tubería cuando ésta tenga:

- Aislamiento térmico. Pendiente: en este caso las estructuras de apoyo tienen la misma elevación, y las zapatas tiene alturas variables según la pendiente de la tubería - Gran Gran diám diámet etro ro:: (< 24”) 24”) espe especi cial alme ment nte e aque aquell llas as de pare pared d delg delgad ada a para para dism dismin inui uirr la concentración de carga sobre la tubería en los puntos de apoyo. Las zapatas se instalarán centradas en su longitud sobre la viga de soporte, se deberá tener atención especial con los movimientos térmicos de la tubería de forma que, cuando ésta se contraiga (esté fría) o se expanda (esté caliente), la zapata no se “salga” de la viga de soporte, ocasionando la “caída” de la zapata y arrastre a la tubería.

Fig. 32. Zapata de altura constante.

Las zapatas normalmente van soldadas a la tubería, aquellas zapatas zapatas que soporten soporten tuberías que tengan que pasar por un tratamiento tratamiento de alivio de tensiones, deberán ser aliviadas junto con las zapatas.

Tubería de diámetro menor de 6”

Tubería de diámetro de 8” a 24”

59


Fig. 33. Zapata de altura variable.

En cada estándar de soportes se fijan las longitudes estándar de las zapatas. Sin embargo un ejemplo de longitudes empleadas para zapatas se observa en la tabla a continuación: Tabla 9: Longitudes de zapatas.

Desplazamiento térmico (mm)

Longitud estándar (mm)

75 ≥ 75 – 150 150 – 600

350 450 600

60


Intro Introduc ducció ción n al uso de la herra herramie mienta nta CAESA CAESAR R II 4.5 4.50 0 El prog progrrama ama CAE CAESA SAR R II II

CAESAR CAESAR II es un paquete computacional empleado para realizar análisis de esfuerzos en sistemas de tuberías. Es tan solo una “herramienta de cálculo” para el ingeniero que es analista de flexibilidad que le permite obtener una descripción completa de la conducta del sistema estudiado bajo las condiciones de carga definidas.

Posee una ventajosa ayuda gráfica y procedimientos para la comparación de valores de cargas y esfuerzos conforme a los especificados en códigos y normas.

Fig. 34. Presentación de la pantalla principal del programa. 9.2 9.2

Crea Creaci ción ón de de un un arc archi hivo vo

Para crear u archivo primero se procede a darle un Nombre, el cual, normalmente hace referencia al sistema estudiado, bien sea por el nombre de la línea mas grande, la mas larga, por un equipo repr repres esen enta tati tivo vo o por por un nomb nombre re ya dado dado al sistema de estudio. Ej. de nombre: 6PR6701001 Se debe guardar dentro de la carpeta “Archivos CAESAR II”, en una subcarpeta eta haciend endo referencia al nombre del proyecto. Ej. de C:\ARCHIVOS_CAESAR\VALERO_2522\FEED_SEC C:\ARCHIVOS_CAESAR\VALERO_2522\FEED_SECTION_AREA\SISTEMA_6P TION_AREA\SISTEMA_6PR6701001. R6701001.

directorio:

61


Al presionar OK, inmediatamente se abrirá la ventana “Review Current Units” en donde aparece seleccionado, por defecto, el sistema inglés.

Si el sistema de unidades es diferente al predeterminado, entonces se deben configurar las unidades en la opción “Configuration/Setup” del menú “Tools” en la pantalla principal del programa, seleccionando en la carpeta “Database Definitions” el sistema a convenir.

Se puede seleccionar entre tres sistemas de unidades predefinidas:

- Unidades Inglesas. - Milimétricas. - S. I.

62


También se puede emplear otro sistema especial creado específicamente para un proyecto, para lo cual se deberá colocar el archivo de unidades en la misma carpeta en la que se grabó el archivo del estudio, a fin que estas sean reconocidas por CAESAR al momento de pulsar el botón para seleccionar las unidades. 9.3 9.3

Carg Carga a de los datos datos para para el análi análisis sis

Una vez que el archivo ha sido creado y las unidades han sido definidas, se procede a la selección del sistema de ejes coordenados a emplear. Por convención interna, se acostumbra ubicar el norte de los isométricos en la dirección –Z del eje de coordenadas cartesianas.

Fig. 35. Orientación de los ejes coordenados.

La entrada de datos se hace a través de una hoja “Input data”. Para ingresar a dicha hoja, se presiona el ícono “Piping Input” en la pantalla principal del programa y se desplegará la hoja de entrada de datos.

63


Es importante para comenzar a introducir los datos del modelo de un sistema, ubicar el “Piping Class” de las líneas. Esta especificación viene dada en forma de código en el nombre de la línea, generalmente antes del código del aislante. Por ejemplo: 6”- PR- 670- 1001- F6A2- 3” H En CAESAR II, la introducción de los datos se hace a través de “elementos”, los cuales pueden ser un tramo de tubería o un elemento rígido (bridas, válvulas, etc.), que están definidos por dos “nodos” principales.

Elemento

Nodos

Fig. 36. Elementos y nodos.

Algunos de los comandos principales que aparecen en la hoja de entrada de datos son:

nodos. nodos.

New para crear archivos.

Close Loop para cerrar sistemas.

Open para abrir archivos.

para camb cambiar iar el salt salto o de Increment Increment node para

para medi medirr la longi longitu tud d entr entre e dos dos Save para salvar o guardar los cambios. Distance para

Cut para cortar información. CAESAR. Copy para copiar información. Paste para pegar información. rígidos. Start Run para compilar el corrido.

List Input para ver la lista de datos de Title para entrar al titulo del archivo. Valve flange database para insertar Special execution parameters.

Batch Run para correr el programa. archivos.

Includin Including g piping piping files para importar

Insert para insertar hojas de datos. gráfico.

para ver el esqu esquem ema a 3D Plott Plotting ing para

64

Taller Fundamentos de Análisis de Flexibilidad en Tuberías. Delete para borrar hojas de datos. anterior. Brake para dividir elementos. siguiente.

ementto Previous element para ir al elemen Continue

para

ir

al

elemento

Find para localizar elementos.

En este punto es importante mencionar que presionando F1, cuand cuando o se esté esté posici posiciona onado do sobre sobre cualqu cualquier ier recuad recuadro ro de datos atos o pará parám metro etross a intr introd odu ucir, cir, se podrá odrá obte obten ner información acerca del mismo. También para verificar las unidades en las que se deben colocar los diferentes datos y parámetros a introducir, se coloca el cursor en el extremo izquierdo del recuadro y las mismas aparecerán desplegadas.

Otro punto importante importante es asignar asignar el valor corr correc ecto to a la temp temper erat atur ura a ambi ambien ente te,, conforme a lo indicado en la espec especifi ifica caci ción ón de flex flexib ibili ilida dad d o en las premisas del estudio. Para esto, del menú “Kaux”, en la hoja de entr entrad ada a de dato datoss se debe debe sele selecc ccion ionar ar “Spe “Speci cial al Exec Execut utio ion n Para Parame mete ters” rs” o se presiona el ícono correspondiente.

Se modifica el valor, teniendo especial cuidado con las unidades empleadas.

65


En la hoja de entrada de datos, “From” es el nodo inicial y “To” es el nodo final del elemento. Acti Activa vand ndo o la casi casill lla a “nam “name” e” a la dere derech cha a de los los nodo nodos, s, se pued pueden en colo coloca carr nota notass o identificaciones a cada nodo.

CAESAR II selecciona, por defecto, el B31.3 como código de diseño para asignar el valor del esfuerzo admisible cuando se escoja el material.

Los datos iniciales a cargar luego que se han efectuado los pasos anteriores son: - Diám Diámet etro ro:: se intr introd oduc uce e el valo valorr del del diám diámet etro ro nominal. - Espesor de la tubería: generalmente, se coloca el “Sch “Sched edul ule” e” Tamb También ién se pued puede e colo coloca carr el valo valorr dimensional leído en tablas. 66


- Tolerancia de Fabricación: este es un valor fijo que no debe ser modificado. - Espesor de corrosión: especificado en el “Piping Class”. - Espe Espeso sorr del del aisl aislan ante te:: leíd leído o dire direct ctam amen ente te del del isométrico o de la lista de líneas. - Temperaturas y Presiones: se leen de la lista de líneas. CAESAR II permite introducir hasta 9 combinaciones de presión y temperatura. Generalmente, se colocan primero las condiciones de operación y luego las de diseño. La presión para prueba hidrostática se introduce como un valor independiente.

- Mate Materi rial al:: se sele selecc ccio iona na de la list lista a desp desple lega gada da conforme a lo indicado en el “Piping Class”. Una vez selecci selecciona onado do el material, material, aparec aparecen en los valores valores de módulo de elasticidad, radio de Poisson y densidad de la tubería. Así mismo, se despliegan los valores de esfuerzos admisibles, relacionados al código aplicado. - Densidad del fluido: valor leído de la lista de líneas. Se puede colocar en función de la gravedad específica del agua (ejemplo para un tipo de hidrocarburo: 0.9 SG) - Densi ensida dad d del aisl aislan ante te:: se puede uede ubic ubicar ar en la especificación del aislante o en una lista que aparece en la ayuda de CAESAR (presionando F1). Cuando esta casi casill lla a se deja deja en blan blanco co,, pero pero se empl emplea ea algú algún n espesor de aislante, CAESAR tomará por defecto el valor de la densidad del “Silicato de Calcio” Luego que se han colocado los datos iniciales que definen las características de los elementos, se puede proceder a cargar las “Coordenadas” de dichos elementos. Las coorden coordenada adas, s, marcan marcan el recorr recorrido ido de la tubería tubería y definen definen la longit longitud ud de los tramos. tramos. También define el espacio ocupado por codos, reducciones, y demás accesorios o r ígidos.

67


A continuación se describe el procedimiento de carga de los accesorios de tuberías: - Codos: Se hace doble click en la casilla “ Bend” y aparecerá un menú, desplegado a la derecha, en el que se informa acerca del radio del codo y dos nodos auxiliares, cuyo uso, norm normal alme ment nte e se asoci asocia a a la colo coloca caci ción ón de sopo soport rtes es tipo tipo dummy.

- Rígido Rígidos: s: Para Para coloca colocarr válvul válvulas as o bridas bridas (elemen (elementos tos rígidos) se presiona el ícono “Valve & Flange database” y se selecciona el tipo de elemento y la clase según lo indicado en el “Piping Class”. Luego, CAESAR tomará de su base de datos los valores dimensionales y de peso del rígido y los colocará automáticamente en la hoja de entrada de datos. En caso que el accesorio (válvula o brida) no aparezca en la base de datos, se deberá buscar (en un catálogo o mediante la ayuda de otra disciplina) la longitud y peso del mismo y se colocará como un rígido haciendo doble click en la casilla “rigid” del input.

- Juntas de expansión: Las Las junt juntas as de expa expans nsión ión son elem elemen ento toss muy muy cost costos osos os y delicados que requieren de un mantenimiento continuo. Para 68


colocarlas, se hace doble click en la casilla “Expansion Joint” y en el menú desplegado a la derecha se introducen los datos de la junta de expansión seleccionada.

- Reductores: Se hace doble click en la casilla “Reducer” y en el menú desplegado a la derecha se introduce diámetro y el espesor de la tubería del siguiente tramo. Se debe buscar, con antelación, en tablas la longitud ocupada por el reductor a fin de colocar las coordenadas como corresponda.

- Ramales: Se hace doble click en la casilla “SIFs & Tees” y, en el menú desplegado a la derecha, se introduce el nodo en donde se va a colocar y el tipo de conexión ramal a emplear. Así mismo, se coloca, en caso que sea necesario, el Factor de Intensificación de Esfuerzos requerido (dejando la casilla en blanco CAESAR II lo calculara conforme lo establece la norma de diseño).

En este momento se puede hacer un paréntesis para mencionar lo relacionado a los “offsets”. Cuando se define un “offset” en un elemento, el objetivo es limitar la expansión térmica a solo una sección del tramo de longitud definida. Para colocarlo, se hace doble click en la casilla correspondiente y en el menú desplegado a la derecha se introduce la longitud del tramo que va a tener “expansión “expansión cero” o bien sea desde el nodo nodo origen o el nodo nodo destino.

69


En este este punt punto o se pued pueden en empe empeza zarr a menc mencio iona narr el proc proced edim imien iento to de mode modela lado do de las restricciones, desplazamientos y cargas del sistema. - Restricciones: Para colocarlas, se hace doble click en la casilla correspondiente y, en el menú desplegado a la derecha, se introduce el nodo en donde se va a colocar y el tipo tipo de rest restri ricc cció ión n a empl emplea ear. r. Así Así mism mismo, o, se establece la holgura o “Gap” y el coeficiente de fricción “Mu”, según convenga.

Los tipos de restricciones mayormente empleadas son: ANC: Los Anclajes limitan todos los grados de libertad. Limitan la translación en una dirección principal.

+ RX + RY + RZ  Limitan la rotación.   RX RY RZ    − RX − RY −principal. RZ  en una dirección  

GUIDE: Las guías limitan el movimiento en la dirección lateral.

{ + Lim Lim

Los}Stop, − Lim

limitan el movimiento en la dirección axial.

Usualmente: Para límites y guías se emplea un “Gap” (3mm ó ⅛”). Para soportes simples se usa un coeficiente de fricción de 0.3 para roce metal-metal, 0.45 para metal-concreto y 0.1 para roce metal-teflón.

70


Fig. 37. Restricciones más comunes.

El CNode es un nodo auxiliar que se emplea para colocar restric restriccio ciones nes “ficti “ficticia cias” s” (la mayoría mayoría de las veces veces del tipo tipo anclaje) y obtener los valores de carga en cualquier punto en que se requiera.

- Resortes: Para modelar un resorte, se hace doble click en la casilla “Hangers” y, en el menú desplegado a la derecha, se introducen los datos del resorte seleccionado del catálogo del fabricante con que se esté trabajando en el proyecto.

- Boqu Boquil illa las: s: Se empl emplea ea para para mode modela larr las las boqu boquil illa lass de recip recipien iente tess y tanq tanque ues. s. Se hace hace dobl doble e clic clickk en la casi casilla lla “Nozzles” y en el menú desplegado a la derecha se colocarán los datos de diseño de la boquilla flexible según sea el tipo.

Para el estudio de las boquillas para recipientes a presión, y tanques se deben llenar los formularios WRC 297 y API 650 71 υ =

d

< 0,333

β =

Dm

>

50


respe respect ctiv ivam amen ente te.. La evalu evaluac ació ión n de las las carg cargas as se hace hace a través de un boletín externo de CAESAR II, como el WRC 107 para recipientes a presión (esféricos y cilíndricos). En este se introducen los datos, del recipiente y de la boquilla, para luego hacer una comparación entre las cargas generadas por el sistema de tuberías en las boquillas y el valor admisible de las mismas. Es necesario que el recipiente cumpla con ciertas condiciones para que el boletín WRC 107 sea aplicable: Parámetro de la boquilla: Donde: recipiente. recipiente.

Parámetro del recipiente:

d = Diámetro externo de la boquilla. Dm = Diám iámetro etro medio dl recip ecipiient ente.

D

=Diámetro

externo

del

T = Espeso esor promedio edio de pared red del

- Desplaz Desplazami amient entos: os: Se hace hace doble doble click click en la casilla casilla “Dis “D ispl plac acem emen ents ts”” y, en el menú enú desp desple lega gado do a la derec derecha ha,, se coloc colocará ará el nodo nodo dond donde e se aplic aplicar ará á el desp despla laza zami mien ento to o la rotac rotació ión n y, para para cada cada caso caso de estud estudio, io, la magn magnitu itud d y el sent sentid ido o en la coord coorden enad ada a correspondiente.

- Cargas puntuales: Para colocar fuerzas y momentos puntuales, se hará doble click en la casilla “For “Forcces/M es/Mom omen ents ts”. ”. En el menú menú desp espleg legado ado a la derecha, se colocará el nodo donde se aplicará la carga y, para cada caso de estudio, la magnitud y el sentido en la coordenada correspondiente.

- Cargas uniformes: Para colocar fuerzas distribuidas, se hará doble click en la casilla “Uniform Loads” y en el menú desplegado a la derecha se colocará, para cada caso de estudio, la magnitud y el sentido de la carga en la coordenada correspondiente. Esta carga se aplicará a todos los elementos de tubería siguientes, hasta que se cambie por otra o se anule.

72


- Cargas por viento: viento: Para incluir incluir el efecto efecto del viento, viento, se debe hacer doble click en la casilla “Wind/Wave” y en el menú desplegado desplegado a la derecha se activará el botón Wind. Luego se colocará el factor de forma conforme a lo definido en el ASCE #7 (usualmente entre 0.5 y 0.65 para tubería cilíndrica). Esta carga es distributiva y se aplicará a todos los elementos siguientes hasta que sea revertido (Off) o cambiado.

- Cargas por sismo: Para incluir el efecto de sismos, se debe hacer doble click en la casilla “Uniform Load in G’s” que aparece en la pantalla de “Special Execution Parameters” del menú “Kaux” y se introduce el factor de multiplicación del peso de la tubería, por efectos de sismo, para la simulación estática como si fuera una carga uniforme.

Una vez que se ha efectuado la carga de datos (no necesariamente la carga completa), estos se pueden visualizar a manera de tabla en una lista presionando el ícono de “Listing Input” en donde además se pueden modificar cualquiera de los valores. 73


Esta tabla resulta particularmente útil al momento de corr correg egir ir error errores es y/o y/o añad añadir ir datos atos por modif odific icac acio ion nes de último momento. También permite copiar datos de manera ordenada e inclusive la modificar el sistema coordenado.

Las carpetas que se pueden encontrar en el “Listing Input” son: - Elements.

- Expansion Joints.

- Uniform Loads.

- SIFs.

- Hangers.

- Materials.

- Restraints

- Wind/Wave.

- WRC 297.

- Coordinates.

- Bends.

- Displacements.

- Offsets.

- API 650.

- Node names.

- Rigids.

- Forces.

- Allowables.

- PD 5500.

- Reducers.

En este punto, es importante mencionar que CAESAR II posee una ayuda gráfica que permite visualizar la construcción de los elementos cargados en la hoja de entrada de datos. Para esto, se presiona presiona el ícono correspondien correspondiente te a “3D Plotting” Plotting” y se desplegará desplegará la imagen del sistema cargado. Esta es una imagen referencial que permite visualizar la proporción que la mayoría de las veces no se aprecia en los isométricos y, en la fase final del análisis, permite tener una idea del comportamiento del sistema (animación).

74


9.4 9.4

Defini Definició ción n de los los caso casos s de de estud estudio io

Los valores de esfuerzos, cargas y desplazamientos a analizar se observan en determinados “casos de estudio” a definir antes de efectuarse la compilación de los datos cargados. Los parámetros mas empleados para definir los casos de estudio son (i = 1, 2,… 9): W… Peso Peso de de la tube tubería ría llena llena con el fluid fluido o de estu estudio dio..

WW… Peso Peso de la tuberí tubería a llena llena de de agua. agua.

WNC… Peso de la tubería vacía. HP = Presión de prueba hidrostática. Pi = Presión.

Ti = Temperatura.

Di = Despl Desplaz azam amien iento to (tr (tras aslac lacion iones es y/o y/o rotac rotacio ione nes) s)..

Fi = Carg Cargas as (fu (fuer erza zass y/o y/o mome moment ntos os). ).

Ui = Carga uniforme. HGR… Efecto del resorte. WIN… Efecto de viento.

WAV… Efecto de sismo.

Los casos de estudio comunes son: - Sustentación (SUS): Comprende el efecto del peso de la tubería llena del fluido de operación y la presión interna de la misma. La sustentación se define en condiciones de operación y diseño. Ejemplos: W + P1

W + P2

W + P1 + HGR

W + P1 + U1

W + P1 + D1 WNC

W + P1 + F1 W + P1 + D1 + F1 + U1

Prueba Hidrostática (HYD): Es una variación del caso sustentación. Comprende el efecto del peso de la tubería llena del agua y la presión de prueba hidrostática (1,5 Pdiseño). Ejemplos: WW + HP

WW + HP + D1

WW + HP + F1

WW + HP + U1 75


WW + HP + HGR

WW + HP + F1 + D1 + U1

- Operación (OPE): Comprende el efecto de todos los factores que intervienen durante la operación del sistema: temperatura y presión, peso de la tubería y el fluido, desplazamientos, cargas no ocasionales, entre otros. Ejemplos: W + P1 + T1

W + P2

+ T2

WNC + T3

W + P1 + T1 + F1

W + P1 + T1 + D1 W + P1 + T1 + U1

W + P1 + T1 + HGR

W + P1 + T1 + D1 +F1 + U1

Expansión (EXP): Comprende solo el efecto de la expansión térmica. Se define en condiciones de operación y diseño. La manera para definir estos casos no es directamente algebraica como para el resto de los casos, la definición se deriva de la diferencia entre casos de operación y sustentación. Ejemplos: Caso típico de operación: [L1= W + P1 + T1 + D1 (OPE)] - [L2= W + P1 + D1 (SUS)] - L2 (EXP)

⇒

L3= L1

Caso típico de radiación solar: s olar: [L1= WNC + T3 (OPE)] - [L2= WNC (SUS)] ⇒ L3= L1 - L2 (EXP) Ocasional (OCC): Son casos que puedan presentarse eventualmente, e incluyen las condiciones definidas para la apertura de una válvula de alivio, viento, sismos, entre otras.

W + P1 + T1 + WAV1

W + P1 + T1 + WIN2

W + P1 + T1 + F1

Una vez que se ha verificado el montaje de cada elemento del sistema a analizar, se procede a la compilación del mismo para verificar los errores o advertencias que pudieran generarse. Para esto se presiona el ícono “Start Run” en la hoja de entrada de datos y CAESAR comenzará la revisión del mismo. Es muy importante prestar atención a las advertencias, pues nos dan una orientación de posib posibles les prob problem lemas as ocur ocurri rido doss duran durante te la intr introd oduc ucci ción ón de dato datoss que que pued puedan an afec afecta tarr los los resultados del análisis.

76


Una vez efectuada la compilación, se procede a definir los casos de estudio. En la ventana “Statics” “Statics” del menú “Analysis”, en de la pantal pantalla la princi principal pal de CAESA CAESAR. R. En esta esta ventan ventana, a, se definirán los casos de estudio con los parámetros de cargas antes descritos que componen cada caso.

En este menú también se definen el resto de los parámetros necesarios para el estudio de cargas por viento en caso que se halla seleccionado cualquiera de los dos en la hoja de entrada de datos.

Una vez efectuada la definición de los casos de estudio, se puede ejecutar el programa desde la ventana “Statics” presionando el ícono “run the analysis” o desde la hoja de entrada de datos, presionando el ícono “Batch Run”. Con esto, CAESAR comenzará la ejecución de las iteraciones necesarias para el estudio estático del sistema.

Al final se desplegará la ventana “Static Output”, y en parte inferior derecha se visualizarán las unidades empleadas durante el análisis, lo cual resulta muy importante al momento de leer los resultados.

77


Cuando en el transcurso del análisis se agrega o elimina alguno de los parámetros de carga, se abrirá una advertencia con la que se desplegará la ventana “Statics”.

Si se está trabajando con el código B31.3 se deberán evaluar los esfuerzos para los casos de sustentación, expansión y ocasional. Para desplegar la información numérica se deben resaltar los casos a visualizar y la opción de reporte “Stresses” para luego presionar el ícono “View Reports”.

78


Cuando los esfuerzos se encuentran por debajo del valor admisible, los valores se presentarán bajo el mensaje “CODE STRESS CHECK PASSED”. En caso que el sistema falle, se visualizarán los valores en rojo bajo el mensaje “CODE STRESS CHECK FAILED”.

Si se desea solo obtener los valores del resumen de esfuerzos, entonces se debe activar, en el menú “filtres” el filtro para esfuerzos colocando un cero en las casillas de los nodos “from” y “to”. Para el estudio de las cargas, se evaluarán únicamente los casos de operación, sustentación (ambos en condiciones de operación) y prueba hidrostática, ya que estos son los casos más cercanos a la realidad donde es adecuado reportar valores de carga. Así mismo para el estudio de los desplazamientos, se suele evaluar solo el caso de operación en condiciones de operación y en algunos casos el de prueba hidrostática, ya que estos son los casos que mejor representan la realidad del sistema. De igual manera que para los esfuerzos, para desplegar la información numérica se deben resaltar los casos a visualizar y la opción de reporte “Restraint Summary” para las cargas o “Displacements” para los desplazamientos, para luego presionar el ícono “View Reports”.

79


También existe una opción con la cual se puede ve un resumen, elemento por elemento, de toda la data cargada, lo cual es necesario para el momento de emitir informes.

Cuan Cuando do se quier quiere e envi enviar ar la info inform rmac ación ión direc directa tame ment nte e a un form format ato o word, word, en luga lugarr de desp despleg legar arla la en una una vent ventan ana a de CAES CAESAR AR,, se debe debe presi presion onar ar el ícon ícono o “View “View Repo Report rt usin using g Microsoft Word” en lugar del “View Reports”.

La parte gráfica de CAESAR, para análisis de resultados, también es de gran utilidad. Existen tres íconos para ver distintos tipos de funciones gráficas.

80


El primero es “View Animation”, en el que se puede apreciar a manera de animación, el comportamiento (desplazamientos) un poco exagerado del sistema ante una situación de carga seleccionada entre os casos de sustentación, prueba hidrostática u operación. El segundo es “Display Graphical Results” este está en un formato mas parecido al de la ayuda gráfica en CAESAR II V.4.40, en esta imagen se puede visualizar información como los valores de cargas, desplazamientos, SIF’s, etc. a fin de facilitar la búsqueda de solución a los posibles problemas presentados durante el análisis de un sistema. El tercero tercero es “3D Plot” Plot” en el cual se pueden pueden observ observar ar los valores valores máximos máximos para cargas cargas y desplazamientos, entre otros datos de interés. En esta ventana, también se puede visualizar en degradé de colores el estado de esfuerzos del sistema.

9.5 9.5

Inte Interp rpre reta taci ción ón de resu result ltad ados os

Una vez que se ha terminado con el proceso de carga de datos, y análisis de casos de carga, se procede a interpretar los resultados arrojados por CAESAR a fin de hallar puntos problemas y proponer las acciones correctivas necesarias según como convenga. 9.5.1 Esfu sfuerz erzos: Como se ha mencionado mencionado con antelación, antelación, es importante importante evaluar los casos de carga correctos a fin de obtener valores útiles y adecuados de esfuerzos, cargas y desplazamientos. Por tanto es buen bueno o recor recorda darr que que para para el códi código go B31. B31.3, 3, se evalú evalúan an los los esfuer esfuerzo zoss en cond condic icio ione ness de susten sustentac tación ión,, expans expansión ión y ocasion ocasional al (prueb (prueba a hidrost hidrostátic ática a es estudi estudiado ado como como un caso caso de sustentación), mientras que, para el caso de los códigos B31.4 y B31.8, se evalúan además los casos de operación. Cuando uno de los casos de estudios de esfuerzo falla, se debe identificar el origen de la misma:

81


- Las fallas por sustentación, normalmente corresponden a la falta o mala colocación de un soporte. En ocasiones una fuerza soportable por la tubería puede estar creando una palanca sobre un punto de pivoteo creado en el sistema por un soporte mal ubicado y generar una falla por sustentación. También pueden existir secciones de la tubería en donde el “span” es muy largo y se requiere la adición de otro soporte. - Mientras que las fallas por expansión, usualmente se asocian a la falta de flexibilidad del sistema, debido a un diseño rígido que no permite la disipación de las reacciones generadas por los desplazamientos térmicos de la tubería o a la mala colocación de guías y/o límites que restringen de mala manera los movimientos del sistema. 9.5.2 Cargas: Se debe tener plena identificación de la ubicación (nodos) de los soportes y boquillas de equipos a fin de visualizar las cargas y distinguir entre la información que se reporta a civil y la que tiene que ver con equipos. Para esto es útil el empleo de etiquetas “names” a fin de reconocer dichos puntos de interés.

Cuando en un nodo en el que se ha especificado una restricción, las fuerzas asociadas a la misma se anulan, esto indica que la misma no está actuando eficientemente. Es el caso de soportes simples, la anulación de las reacciones en +Y implican el levantamiento de la tubería del soporte. De manera similar las anulaciones de reacciones en guías y límites implican que el “gap” o la holgura de la restricción es mayor al desplazamiento de la tubería en dicho punto. Cuando se estudian sistemas que están relacionados directamente a equipos, se deben seguir las siguientes recomendaciones: - Para equipos equipos estáticos como recipientes y tanques, tanques, es recomendable recomendable modelar las boquillas boquillas a fin de lograr que la representación del sistema sea lo más flexible posible (más cercana a la realidad). - Para equipos rígidos (como bombas y air-coolers), se debe modelar al equipo pariendo desde la brida de la tubería de forma que las restricciones del equipo sean representativas de la realidad del sistema. Para bombas se modela el rígido de manera que quede anclado en el center-line de la bomba, y para air-coolers se modela de manera que vincule a las boquillas y las patas que reposan en el marco del equipo. - En hornos y calentadores se deben modelar las rigideces de las boquillas conforme a lo señalado por el fabricante del equipo.

82


Fig. 38. Boquillas Boquillas en recipientes a presión. presión. Fig. 39 Bomba centrifuga.

Fig. 40. Boquillas en hornos.

Fig. 41. Boquillas en air-coolers.

9.5. 9.5.3 3 De Desp spla laza zami mien ento tos: s: Es muy importante que los desplazamientos se encuentren entre los límites permitidos por lo especificado en el proyecto (requerimientos del cliente), en específico se debe prestar atención a la deflexión entre soportes, para lo cual se debe definir, en caso necesario, un nodo en el punto punto interm intermedio edio de los soport soportes es que permit permita a la visual visualiza izació ción n de dicho dicho despla desplazam zamient iento. o. También los desplazamientos por expansión térmica deben tomarse en cuenta, a fin que las tuberías no colisionen con sus vecinas (colocar guías) y que no se caigan de los soportes.

83

Taller Fundamentos de análisis de flexibilidad. Material de apoyo

Recommend Documents