Diseño Hidraulico

1. Consideraciones generales y criterios

2. Normas de diseño

3. Cargas de diseño

4. Efectos de la expansión y/o construcción

5. Presión de diseño

6. Temperatura de diseño

7. Espesor de pared

8. Flexibilidad en sistemas de tuberías

9. Análisis de flexibilidad en sistemas de tuberías

10. Fundamentos relacionados con el análisis de flexibilidad

11. Consideraciones en el diseño del sistema de flexibilidad

12. Consideraciones sobre arreglos de tuberías

13. Consideraciones sobre disposición general

14. Consideraciones de arreglo para facilitar apoyo y la sujeción

15. Diseño de soportes para tuberías

16. Definición de términos básicos

17. Referencias bibliográficas

Diseño de Tuberías

Consideraciones generales y criterios de diseño

El diseño de un sistema de tuberías consiste en el diseño de sus tuberías, brida y su tortillería, empacaduras, válvulas, accesorios, filtros, trampas de vapor juntas de expansión. También incluye el diseño de los elementos de soporte, tales como zapatas, resortes y colgantes, pero no incluye el de estructuraspara fijar los soportes, tales como fundaciones, armaduras o pórticos de acero.

Aun en el caso en que los soportes sean diseñados por un ingeniero estructural, el diseñador mecánico de la tubería debe conocer el diseño de los mismos, por la interaccióndirecta entre tuberías y soportes.

Procedimiento de diseño de tuberías

La lista siguiente muestralos pasos que deben completarse en el diseño mecánico de cualquier sistema de tuberías:

a. Establecimiento de las condiciones de diseño incluyendo presión, temperaturas y otras condiciones, tales como la velocidaddel viento, movimientos sísmicos, choques de fluido, gradientes térmicos y número de ciclos de varias cargas.

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 materialesde 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 (Schedule) para las temperaturas y presiones de diseño, de manera que la tubería sea capaz de soportar los esfuerzos tangenciales 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 producidos en la tubería por los distintos tipos de carga estén dentro de los valoresadmisibles, a objeto de comprobar que las cargas sobre los equipos no sobrepasen los valores límites, satisfaciendo así los criterios del código a emplear.

Si el sistema no posee suficiente flexibilidad y/o no es capaz de resistir las cargas sometidas (efectos de la gravedad) o las cargas ocasionales (sismos y vientos), se dispone de los siguientes recursos:

a. Reubicación de soportes

b. Modificación del tipo de soporte en puntos específicos

c. Utilización de soportes flexibles

d. Modificación parcial del recorrido de la línea en zonas específicas

e. Utilización de lazos de expansión

f. Presentado en frío

El análisisde flexibilidad tiene por objeto verificar que los esfuerzos en la tubería, los esfuerzos en componentes locales del sistema y las fuerzas y momentos en los puntos terminales, estén dentro de límites aceptables, en todas las fases de operación normal y anormal, durante toda la vida de la planta.

Normas de diseño

Las normasmás utilizadas en el análisis de sistemasde tuberías son las normas conjuntas del American Estándar Institute y la American Society of Mechanical Engineers ANSI/ASME B31.1, B31.3, etc. Cada uno de estos códigos recoge la experiencia de numerosas empresas especializadas, investigadores, ingenieros de proyectose ingenieros de campo en áreas de aplicación específicas, a saber:

B31.1. (1989) Power Piping

B31.3 (1990) Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping

B31.4 (1989) Liquid Transportation System for Hydrocarbons, Petroleum Gas, Andhydroys Anmonia and Alcohols

B31.5 (1987) Refrigeration Piping

B31.8 (1989) Gas Transmisión and Distribution Piping System

B31.9 (1988) Building Services Piping

B31.11 (1986) Slurry Transportation Piping System

En lo que concierne al diseño todas las normas son muy parecidas, existiendo algunas discrepancias con relación a las condiciones de diseño, al cálculo de los esfuerzos y a los factores admisibles

Cargas de diseño para tuberías

Un sistema de tuberías constituye una estructuraespecial irregular y ciertos esfuerzos pueden ser introducidos inicialmente durante la fase de construcción y montaje. También ocurren esfuerzos debido a circunstancias operacionales. A continuación se resumen las posibles cargas típicas que deben considerarse en el diseño de tuberías.

Cargas por la presión de diseño

Es la carga debido a la presión en la condición más severa, interna o externa a la temperatura coincidente con esa condición durante la operación normal.

Cargas por peso

a. Peso muerto incluyendo tubería, accesorios, aislamiento, etc.

b. Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de proceso

c. Efectos locales debido a las reacciones en los soportes

Cargas dinámicas

a. Cargas por efecto del viento, ejercidas sobre el sistema de tuberías expuesto al viento

b. Cargas sísmicas que deberán ser consideradas para aquellos sistemas ubicados en áreas con probabilidad de movimientos sísmicos

c. Cargas por impacto u ondasde presión, tales como los efectos del golpe de ariete, caídas bruscas de presión o descarga de fluidos

d. Vibraciones excesivas inducidas por pulsaciones de presión, por variaciones en las características del fluido, por resonancia causada por excitaciones de maquinarias o del viento.

Este tipo de cargas no será considerado ya que forman parte de análisis dinámicos y en este proyecto sólo se realizarán análisis estáticos.

Efectos de la expansión y/o contracción térmica

a. Cargas térmicas y de fricción inducidas por la restricción al movimiento de expansión térmica de la tubería

b. Cargas inducidas por un gradiente térmico severo o diferencia en las características de expansión (diferentes materiales)

Efectos de los Soportes, Anclajes y Movimiento en los Terminales

a. Expansión térmica de los equipos

b. Asentamiento de las fundaciones de los equipos y/o soportes de las tuberías

Esfuerzos admisibles

Los esfuerzos admisibles se definen en términos de las propiedades de resistencia mecánicadel material, obtenidas en ensayosde tracción para diferentes niveles de temperatura y de un factor de seguridad global.

La norma ASME B31.3 estipula dos criterios para el esfuerzo admisible. Uno es el llamado "esfuerzo básico admisible" en tensión a la temperatura de diseño, con la cual están familiarizados los que se dedican al diseño de equipos sometidos a presión, es menos conocido y se le denomina "rango de esfuerzo admisible", el cual se deriva del esfuerzo básico admisible y se emplea como base para el cálculo de la expansión térmica y para el análisis de flexibilidad.

La aplicación de cada criterio es como se observa en la tabla 1:

Tabla Nº 1:

Esfuerzos Admisibles en Función de las Cargas

Para cargas aplicadas

Esfuerzos de pared circunferenciales producidos por la presión; no deben exceder

Esfuerzos longitudinales combinados, producidos por la presión, peso y otras cargas; no deben exceder

Fuente: Álvarez (2003)

Donde:

S = Esfuerzo básico admisible a la temperatura de diseño, para el material seleccionado

E = Eficiencia de la soldadura longitudinal o factor de calidad de la fundición asociada con el diseño específico y los requerimientos de inspección

Estos esfuerzos admisibles básicos, así como el límite de fluencia y la resistencia a la tracción, están listados en el Apéndice A, Tabla A-1 y A-2, del Código B31.3 en función de la temperatura. Por ejemplo, para el acero A-106-Grado B se tiene que el límite de fluencia es, Sy = 35 KPsi (241,317 MPa), y la resistencia a la tracción es Su = 60 KPsi (413,685 MPa).

El esfuerzo admisible básico en función a la temperatura es como se observa en la tabla 2:

Tabla Nº 2

Esfuerzos Admisibles en Función de la Temperatura

Para ver la tabla seleccione la opción "Descargar" del menú superior

Fuente: Álvarez (2003)

Los esfuerzos admisibles para cargas térmicas son como se observan en la tabla 3:

Tabla Nº 3

Rango de Esfuerzo Admisible

Para ver la tabla seleccione la opción "Descargar" del menú superior

Fuente: Álvarez (2003)

Donde;

SA = f(1.25Sc + 0.25Sh)

SC = Esfuerzo básico admisible para el material a la mínima temperatura esperada del metal durante el ciclo de desplazamiento

Sh = Esfuerzo básico admisible para el material a la máxima temperatura esperada del metal durante el ciclo de desplazamiento

f = Factor de reducción del rango admisible de esfuerzo para condiciones cíclicas según el número total de ciclos completos de cambios de temperatura sobre la

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