Ensayo Esfuerzo Termico

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Índice

INDICE

Índice        2

Introducción        3

Generalidades        4

Normas        4

Procedimiento de diseño        5

Efectos de expansión y contracción        6

Recopilación de Información        6

Análisis de tuberías por método finito        6

Ecuaciones Resultantes        8

Conclusiones        23

Referencias        24

Introducción

Este trabajo es un ensayo enfocado en el esfuerzo térmico que generara el vapor o aires calientes sobre el interior y exterior de tuberías.

Se escogió este tema por ser de utilidad tanto para la materia como para el ámbito de la carrera, al ser enfocado en tuberías de vapor o aire caliente se puede delimitar en gran medida el tema evitando problemáticas de algo tan amplio como lo podría ser el esfuerzo térmico y sus derivados.

Para la realización de este ensayo se realizara un  análisis estático en el cual se evaluará los esfuerzos presentes en sistemas de tuberías, esto siendo dependiente de diversos diámetros y espesores no solo un solo tipo si no multifuncional.

Para esto se tomará en cuenta dos cargas las cuales serán:1) cargas originadas por peso propio de la tubería y por la presión interna, conocidas como cargas sostenidas y 2) cargas originadas por la expansión térmica del material.

Por la complejidad de la realizar estos en un entorno controlado y agradable para la muestra, se recurrió a investigar resultados y problemas relacionados con este tema.

Generalidades

Para empezar, debemos tener claro a que nos referimos a nivel industrial con las tuberías, ya que si bien a simple vista se podría pensar que estas no llevan mucha elaboración no se podría estar mas equivocado, ya que estas serán de las áreas en las que mas se pondrá atención cuando se haga ya sea la elaboración de planta o los mantenimientos requeridos, siendo esta área en la que mas ingenieros se llega a usar.

Esto se debe a la complejidad de los parámetros que se deben tomar en cuenta para esto, ya sea la flexibilidad de las tuberías, sus cargas, su equilibrio, factores externos como la corrosión o la abrasividad y factores internos como el material que estarán transportando, esto claro sin olvidar lo básico, lo cual sería minimizar costos a un mayor beneficio; es por estos motivos que las tuberías tienden a tener un gran número de reglas y normas liderando estas.

Normas

Una de las normas mas usadas cuando de tuberías se habla será el código B31 de la denominación ASME, el cual tendrá distintas aplicaciones para determinados usos de tuberías, las cuales serán.

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Si bien se toma en cuenta la denominación ASME-31 para la realización de tuberías, se usan otras normas como de distintos rubros como la ASTM, API en caso de ser en tuberías petroleras y obviamente la AWS para la determinación del tipo de soldadura que se podrá usar.

Procedimiento de diseño

Para diseñar una tubería de manera correcta se deben seguir los siguientes pasos:

a) Establecimiento de las condiciones de diseño incluyendo presión, temperaturas y

otras condiciones, tales como la velocidad del viento, movimientos sísmicos, choques de fluido, gradientes térmicos, pruebas hidrostáticas y número de ciclos de varias cargas entre otras.

b) Determinación del diámetro de la tubería, el cual depende fundamentalmente de

las condiciones del proceso, es decir, del caudal, la velocidad y la presión del fluido.

c) Selección de los materiales de la tubería con base en corrosión, fragilización y resistencia

d) Selección de las clases de "rating" de bridas y válvulas.

e) Cálculo del espesor mínimo de pared (cédula) para las temperaturas y presiones de

diseño, de manera que la tubería sea capaz de soportar los esfuerzos producidos por la presión del fluido.

f) Establecimiento de una configuración aceptable de soportes para el sistema de

tuberías.

g) Análisis de esfuerzos por flexibilidad para verificar que los esfuerzos térmicos y

mecánicos producidos en la tubería por los distintos tipos de carga estén dentro de los valores admisibles, a objeto de comprobar que las cargas sobre los equipos no sobrepasen los valores limites, satisfaciendo así los criterios del código a emplear.

Además de estos puntos se tiene que tener en cuenta la temperatura soportado para el diseño que requiramos, esto se determinara por diversos rubros, como lo es la temperatura del material manejado, la del ambiente, radiación solar, enfriamientos; esto nos dará la temperatura que nuestro material tendrá que soportar para su uso.

Efectos de expansión y contracción

Para la realización de tuberías tendremos que tener en cuenta los esfuerzos a la que esta será sometida, estos serán:

• Esfuerzos por efectos térmicos. Estas cargas consisten en empujes y momentos, producidos en el sistema de tuberías por la expansión o contracción térmica.
• Esfuerzos debidos a gradientes de temperatura. Estos esfuerzos se originan en la pared del tubo, como resultado de un cambio rápido de temperatura o por una distribución desigual de esta, tal como la de un fluido muy caliente a través de un tubo de pared relativamente grueso, o debido a un flujo en dos fases estratificado, que causa flexión en la tubería.
• Efectos de soportes, anclajes y movimientos en los extremos. Se deben tomar en cuenta en el diseño de sistemas de tuberías, los efectos del movimiento de soportes, anclaje y equipo conectado. Estos movimientos pueden resultar de la flexibilidad y/o expansiones térmicas de equipos, soportes o anclas, por asentamiento o por oscilaciones debidas al viento.
• Efectos cíclicos. La fatiga debida a cargas cíclicas por presión, temperatura u otras, deben tomarse en cuenta en el diseño de tuberías.

Recopilación de Información

Para recopilar la información necesaria se hizo una investigación en diversas fuentes, como lo son páginas de internet, revistas y principalmente en tesis que serán mencionadas al final del archivo; esto debido a la complejidad de la elaboración de un levantamiento de campo de nuestra parte, por esto se optó por el uso de investigación de terceros.

Análisis de tuberías por método finito

En esta ocasión se están empleando tanto tubos rectos como codos, y dos tipos de vigas, estas con nodos N1 y N2, siendo N1 el inicial y N2 el secundario.

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