Guia para diseño de tuberia

8/7/2019 Guia para diseo de tuberia

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Una gua para el diseo de tuberas

1. Consideraciones generales y criterios2. Normas de diseo3. Cargas de diseo4. Efectos de la expansin y/o construccin5. Presin de diseo6. Temperatura de diseo7. Espesor de pared.8. Flexibilidad en sistemas de tuberas9. Anlisis de flexibilidad en sistemas de tuberas10. Fundamentos relacionados con el anlisis de flexibilidad11. Consideraciones en el diseo del sistema de flexibilidad12. Consideraciones sobre arreglos de tuberas.

13. Consideraciones sobre disposicin general.14. Consideraciones de arreglo para facilitar apoyo y la sujecin15. Diseo de soportes para tuberas16. Definicin de trminos bsicos17. Referencias bibliogrficas

Diseo de TuberasConsideraciones generales y criterios de diseo

El diseo de un sistema de tuberas consiste en el diseo de sus tuberas, brida y sutortillera, empacaduras, vlvulas, accesorios, filtros, trampas de vapor juntas de expansin.Tambin incluye el diseo de los elementos de soporte, tales como zapatas, resortes ycolgantes, pero no incluye el de estructuras para fijar los soportes, tales como fundaciones,

armaduras o prticos de acero.Aun en el caso en que los soportes sean diseados por un ingeniero estructural, el

diseador mecnico de la tubera debe conocer el diseo de los mismos, por la interaccindirecta entre tuberas y soportes.

Procedimiento de diseo de tuberasLa lista siguiente muestra los pasos que deben completarse en el diseo mecnico de

cualquier sistema de tuberas:a) Establecimiento de las condiciones de diseo incluyendo presin, temperaturas y otras

condiciones, tales como la velocidad del viento, movimientos ssmicos, choques de fluido,gradientes trmicos y nmero de ciclos de varias cargas.

b) Determinacin del dimetro de la tubera, el cual depende fundamentalmente de las

condiciones del proceso, es decir, del caudal, la velocidad y la presin del fluido.c) Seleccin de los materiales de la tubera con base en corrosin, fragilizacin y resistencia.d) Seleccin de las clases de rating de bridas y vlvulas.e) Clculo del espesor mnimo de pared (Schedule) para las temperaturas y presiones de

diseo, de manera que la tubera sea capaz de soportar los esfuerzos tangencialesproducidos por la presin del fluido.

f) Establecimiento de una configuracin aceptable de soportes para el sistema de tuberas.g) Anlisis de esfuerzos por flexibilidad para verificar que los esfuerzos producidos en la

tubera por los distintos tipos de carga estn dentro de los valores admisibles, a objeto decomprobar que las cargas sobre los equipos no sobrepasen los valores lmites,satisfaciendo as los criterios del cdigo a emplear.

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

los siguientes recursos:a) Reubicacin de soportes

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b) Modificacin del tipo de soporte en puntos especficosc) Utilizacin de soportes flexiblesd) Modificacin parcial del recorrido de la lnea en zonas especficase) Utilizacin de lazos de expansinf) Presentado en fro

El anlisis de flexibilidad tiene por objeto verificar que los esfuerzos en la tubera, los

esfuerzos en componentes locales del sistema y las fuerzas y momentos en los puntosterminales, estn dentro de lmites aceptables, en todas las fases de operacin normal yanormal, durante toda la vida de la planta.

Normas de diseoLas normas ms utilizadas en el anlisis de sistemas de tuberas son las normas

conjuntas del American Estndar Institute y la American Society of Mechanical EngineersANSI/ASME B31.1, B31.3, etc. Cada uno de estos cdigos recoge la experiencia de numerosasempresas especializadas, investigadores, ingenieros de proyectos e ingenieros de campo enreas de aplicacin especficas, 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 Transmisin and Distribution Piping System B31.9 (1988) Building Services Piping B31.11 (1986) Slurry Transportation Piping System

En lo que concierne al diseo todas las normas son muy parecidas, existiendo algunasdiscrepancias con relacin a las condiciones de diseo, al clculo de los esfuerzos y a losfactores admisibles

Cargas de diseo para tuberasUn sistema de tuberas constituye una estructura especial irregular y ciertos esfuerzos

pueden ser introducidos inicialmente durante la fase de construccin y montaje. Tambinocurren esfuerzos debido a circunstancias operacionales. A continuacin se resumen lasposibles cargas tpicas que deben considerarse en el diseo de tuberas.Cargas por la presin de diseo

Es la carga debido a la presin en la condicin ms severa, interna o externa a latemperatura coincidente con esa condicin durante la operacin normal.Cargas por peso

a) Peso muerto incluyendo tubera, accesorios, aislamiento, etc.b) Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de procesoc) Efectos locales debido a las reacciones en los soportesCargas dinmicas

a) Cargas por efecto del viento, ejercidas sobre el sistema de tuberas expuesto al vientob) Cargas ssmicas que debern ser consideradas para aquellos sistemas ubicados en reas

con probabilidad de movimientos ssmicosc) Cargas por impacto u ondas de presin, tales como los efectos del golpe de ariete, cadas

bruscas de presin o descarga de fluidosd) Vibraciones excesivas inducidas por pulsaciones de presin, por variaciones en las

caractersticas del fluido, por resonancia causada por excitaciones de maquinarias o delviento.

Este tipo de cargas no ser considerado ya que forman parte de anlisis dinmicos y eneste proyecto slo se realizarn anlisis estticos.

Efectos de la expansin y/o contraccin trmicaa) Cargas trmicas y de friccin inducidas por la restriccin al movimiento de expansin

trmica de la tubera

b) Cargas inducidas por un gradiente trmico severo o diferencia en las caractersticas deexpansin (diferentes materiales)Efectos de los Soportes, Anclajes y Movimiento en los Terminales

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a) Expansin trmica de los equiposb) Asentamiento de las fundaciones de los equipos y/o soportes de las tuberasEsfuerzos admisibles

Los esfuerzos admisibles se definen en trminos de las propiedades de resistenciamecnica del material, obtenidas en ensayos de traccin para diferentes niveles detemperatura y de un factor de seguridad global.

La norma ASME B31.3 estipula dos criterios para el esfuerzo admisible. Uno es elllamado esfuerzo bsico admisible en tensin a la temperatura de diseo, con la cual estnfamiliarizados los que se dedican al diseo de equipos sometidos a presin, es menosconocido y se le denomina rango de esfuerzo admisible, el cual se deriva del esfuerzo bsicoadmisible y se emplea como base para el clculo de la expansin trmica y para el anlisis deflexibilidad.

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

Tabla N 1:Esfuerzos Admisibles en Funcin de las Cargas

Para cargas aplicadas Esfuerzos AdmisiblesEsfuerzos de pared circunferenciales

producidos por la presin; no deben excederS.E.

Esfuerzos longitudinales combinados,producidos por la presin, peso y otrascargas; no deben exceder

S

Fuente: lvarez (2003)Donde:

S = Esfuerzo bsico admisible a la temperatura de diseo, para el material seleccionadoE = Eficiencia de la soldadura longitudinal o factor de calidad de la fundicin asociada con

el diseo especfico y los requerimientos de inspeccin

Estos esfuerzos admisibles bsicos, as como el lmite de fluencia y la resistencia a latraccin, estn listados en el Apndice A, Tabla A-1 y A-2, del Cdigo B31.3 en funcin de la

temperatura. Por ejemplo, para el acero A-106-Grado B se tiene que el lmite de fluencia es, S y= 35 KPsi (241,317 MPa), y la resistencia a la traccin es Su = 60 KPsi (413,685 MPa).El esfuerzo admisible bsico en funcin a la temperatura es como se observa en la tabla

2:Tabla N 2Esfuerzos Admisibles en Funcin de la Temperatura

Esfuerzos Admisibles, S Temperatura, TKpsi Mpa F C20.0 137.90 400 204.4418.9 130.31 500 260.0017.3 119.28 600 315.5617.0 117.21 650 343.33

16.5 113.76 700 371.1113.0 089.63 750 398.89

Fuente: lvarez (2003)Los esfuerzos admisibles para cargas trmicas son como se observan en la tabla 3:

Tabla N 3Rango de Esfuerzo Admisible

Para cargas trmicas Rango de esfuerzo admisibleLos esfuerzos de expansin no debenexceder

SA

Fuente: lvarez (2003)

Donde;SA = f(1.25Sc + 0.25Sh)

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SC = Esfuerzo bsico admisible para el material a la mnima temperatura esperada delmetal durante el ciclo de desplazamiento

Sh = Esfuerzo bsico admisible para el material a la mxima temperatura esperada delmetal durante el ciclo de desplazamiento

f = Factor de reduccin del rango admisible de esfuerzo para condiciones cclicas segn elnmero total de ciclos completos de cambios de temperatura sobre la vida esperada.

Este factor es 1.0 para 7000 ciclos o menos, lo cual es un caso tpico en refineras.Cuando Sh es mayor que L, (esfuerzos longitudinales combinados), la diferencia entre

ellos debe sumarse al trmino (0,25 Sh) por lo que la expresin SA queda:

[ ]LhcA S-)S(S1,25fS +=

Presin de diseoLa presin de diseo no ser menor que la presin a las condiciones ms severas de

presin y temperatura coincidentes, externa o internamente, que se espere en operacinnormal.

La condicin ms severa de presin y temperatura coincidente, es aquella condicin queresulte en el mayor espesor requerido y en la clasificacin (rating) ms alta de loscomponentes del sistema de tuberas.

Se debe excluir la prdida involuntaria de presin, externa o interna, que cause mximadiferencia de presin.

Temperatura de diseoLa temperatura de diseo es la temperatura del metal que representa la condicin ms

severa de presin y temperatura coincidentes. Los requisitos para determinar la temperaturadel metal de diseo para tuberas son como sigue:

Para componentes de tubera con aislamiento externo, la temperatura del metal paradiseo ser la mxima temperatura de diseo del fluido contenido.

Para componentes de tubera sin aislamiento externo y sin revestimiento interno, confluidos a temperaturas de 32F (0C) y mayores, la temperatura del metal para diseo ser lamxima temperatura de diseo del fluido reducida, segn los porcentajes de la tabla 4.

Tabla N 4Reduccin de Temperatura para Componentes sin Aislamiento

Componente T%Vlvulas, tubera, uniones solapadas y accesorios soldados 5Accesorios bridados 10Bridas (en lnea) 10Bridas de uniones solapadas 15Empacaduras (en uniones en lnea) 10Pernos (en uniones en lnea) 20Empacaduras (en casquetes de vlvulas) 15Pernos (en casquete de vlvulas) 30

Fuente: lvarez (2003)Para temperaturas de fluidos menores de 32F (0C), la temperatura del metal para el

diseo, ser la temperatura de diseo del fluido contenido.Para tuberas aisladas internamente la temperatura ser especificada o ser calculada

usando la temperatura ambiental mxima sin viento (velocidad cero).

Espesor de paredEl mnimo espesor de pared para cualquier tubo sometido a presin interna o externa es

una funcin de:a) El esfuerzo permisible para el material del tubob) Presin de diseoc) Dimetro de diseo del tubo

d) Dimetro de la corrosin y/o erosin

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Adems, el espesor de pared de un tubo sometido a presin externa es una funcin de lalongitud del tubo, pues sta influye en la resistencia al colapso del tubo. El mnimo espesor depared de cualquier tubo debe incluir la tolerancia apropiada de fabricacin.

Flexibilidad en sistemas de tuberasConsideraciones generales

Con el fin de introducir los conceptos e ideas fundamentales que se manejan en elanlisis de esfuerzos en sistemas de tuberas, se tomar como punto de partida un sistemasencillo como el mostrado en la figura 1.

Figura 1: Sistema de Tuberas Simple

Fuente: lvarez (2003)Sea p la presin interna del fluido en la tubera y sea T la temperatura de diseo. Se

designar como Ta a la temperatura ambiente. Cuando el sistema entra en operacin, lapresin se eleva hasta p y la temperatura cambia de Ta a T, generndose esfuerzos en elsistema. La presin interna p genera esfuerzos tangenciales y longitudinales, mientras que elcambio de temperatura T = T Ta, genera esfuerzos longitudinales de origen trmico tienenlugar debido a que la tubera no puede expandirse (o contraerse) libremente a consecuencia deencontrarse restringida en su desplazamiento a causa de los soportes y de su conexin a losequipos que conforman el sistema.

Si adicionalmente se considera el efecto del peso de la tubera, as como el de sucontenido se tendr tambin la presencia de esfuerzos longitudinales y de corte anlogos a losproducidos por la expansin trmica.

Todos estos estados de cargas deben considerarse en el anlisis de un sistema detubera. Como regla general, el esfuerzo ms limitante y de mayor relevancia es el de laexpansin trmica.Esfuerzos por Presin (Hoop)

La presin del fluido dentro de la tubera produce un esfuerzo tangencial o circunferencialLp que ocasiona un aumento en el dimetro de la tubera, y un esfuerzo longitudinal Lp queproduce un aumento en la longitud de la misma.

Si el espesor t de la tubera es pequeo comparado con el dimetro exterior D (D/t > 6),puede suponerse que estos esfuerzos se distribuyen uniformemente a lo largo del espesor.

Para determinar el esfuerzo tangencial p, se pasa un plano longitudinal imaginario quedivida a la tubera en dos partes iguales. La figura 2 muestra el diagrama del cuerpo libre.

Figura 2: Diagrama de cuerpo libre de una tubera


La fuerza resultante de los esfuerzos tangencial p debe estar en equilibrio con laresultante de la presin interna p sobre la mitad de la superficie de la tubera. Esto es:

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2(p . tx) = p . DxDe aqu se tiene que:

2t

D.Pp =

En los cdigos B31.3 y B31.3 esta ecuacin es ajustada en dos sentidos:

Dado que en realidad p no es uniforme a lo largo del espesor, el valor dado por la ec (7)puede tomarse como un valor promedio. Ahora bien, qu dimetro debe tomarse?Si se usa el dimetro interno d, se tendra:

p-2t

D.p

t2

2t)-(Dp

2t

d.pp ===

Si se usa el dimetro medio dm, se obtendra:

2

1p-

2t

D.p

2t

t)-(Dp

2t

d.p mp ===

Por ltimo, si se usa el dimetro externo se tendra como resultado la ec (9).Los cdigos establecen que el esfuerzo por presin debe calcularse como:

p.Y-2t

D.P

p

=

Donde Y es un factor que depende de la temperatura de diseo y del tipo de material. Enla tabla 5 se muestra este factor para diversas temperaturas. Observe que en un amplio rangode temperaturas de diseo Y = 0.4, con lo cual la ecuacin recomendada se acerca a ladeducida utilizando el dimetro medio.

Tabla N 5Factor Y para t < D/6

Temperatura (F)


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Fuente: lvarez (2003)Escribiendo la ecuacin de equilibrio de fuerzas en la direccin longitudinal se tiene:

t.D..4

D.p Lp

2

=

(15)

de donde:

4t

D.pLp = (16)

El cdigo establece que debe usarse como espesor t tc- Luego

)t-(t4

D.p

c

Lp = (17)

El peso de la tubera y de otras cargas concentradas genera en cada seccin transversalde la tubera momentos flectores Mi y Mo (figura 5)

En general, cuando una viga est sometida a flexin pura por un momento flector M, losesfuerzos se distribuyen de acuerdo con la ecuacin

I

y.M

=

(18)donde M es el momento flector, y es la distancia del eje centroidal al punto donde se

desea calcular el esfuerzo e I es el momento de inercia de la seccin transversal. El esfuerzomximo ocurre en el punto ms alejado del eje centroidal, esto es, en y = D/2.

Figura 4: Momentos en conexiones

Fuente: lvarez (2003)Entonces,

I2

D.Mmax = (19)

O bien,

Z

Mmax = (20)

donde:

2D

IZ = (21)

es el mdulo de seccin.En este caso,

( ) ( ) 2002

ii M.iM.iM += (22)

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( )

2

D

d-D64Z

44

= (23)

Luego,

Z

)M.(i)M.(i

2

00

2

ii

Lg

+= (24)

Usando las ecuaciones (17) y (24) se puede determinar el esfuerzo total longitudinal porcargas sostenidas. El cdigo B31.3 establece que este esfuerzo viene dado por:

c

2

00

2

ii

c

LZ

)M.(i)M.(i

)t-(t4

D.P

++= (25)

donde:Mi= Momento flector en el planoM0= Momento flector del planoii = Factor de intensificacin de esfuerzos en el plano

i0= Factor de intensificacin de esfuerzos fuera del planoZc = Mdulo de seccin basado en t tc, esto es:

[ ]4c4

c )2t-2t-(D-D32DZ

= (26)

Los factores de intensificacin de esfuerzos se observan en los anexos. Para que latubera no falle debido al efecto de las cargas sostenidas, debe cumplirse que:L < Sh (27)

Donde Sh es el esfuerzo admisible bsico a la temperatura de diseo.Esfuerzos por cargas de expansin

Cuando la temperatura del sistema se eleva desde la temperatura ambiente hasta latemperatura de operacin, la tubera se expande. Debido a que no puede hacerlo librementepor las restricciones impuestas por los equipos y soportes, se dobla y se tuerce (figura 5),

generndose momentos flectores M i y M0, as como un momento torsor Mt en cada seccintransversal de la tubera.

Figura 5: Esfuerzos por Expansin

Fuente: lvarez (2003)Los momentos flectores Mi y Mo, producen un esfuerzo mximo longitudinal,

Z

)M.(i)M.(i

2

00

2

ii

n

+= (28)

mientras que el momento torsor Mt genera un esfuerzo mximo de corte

Z2

M tt = (29)

Ambos esfuerzos se calculan utilizando el espesor nominal. Para analizar la resistencia

de la tubera sujeta a este estado combinado de cargas debe utilizarse una teora de fallas. Elcdigo B31.3 utiliza la Teora del Esfuerzo de Corte Mximo (Teora de Tresca), la cual

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establece que para que no se produzca una falla, el esfuerzo de corte mximo real debe sermenor que el esfuerzo de corte mximo en el ensayo de traccin para un nivel determinado decarga.

Para determinar el esfuerzo de corte mximo en la tubera se tienen que evaluar primerolos esfuerzos principales:

2t

2

bb2,1

2

2 +=

(30)

Entonces,

2

t

2

b21max

2

2

-+

= (31)

Para que el material no falle,

2

S4

22

1 A

2

t

2

bE +

= (32)

O bien:

A

2

t

2b

E S42

+

= (33)

donde E se denomina esfuerzo de expansin y SA es el esfuerzo admisible de expansin,el cual viene dado por:SA = f(1,25Sc + 0,25Sh) (34)

donde:Sc = Esfuerzo admisible del material de la tubera en la condicin fra del apndice del

cdigo ASME B31.3, PsiSh = Esfuerzo admisible del material de la tubera en la condicin caliente del apndice del

cdigo ASME B31.3, Psi.f = Factor de reduccin del rango de esfuerzo admisible para el nmero total de ciclos de

temperatura durante la vida esperada.Por vida esperada se entiende el total de aos durante el cual se presume que el sistemaestar operando.

Los cdigos establecen que si el esfuerzo longitudinal por cargas sostenidas es inferior alesfuerzo admisible, es decir, si L < Sh, entonces la diferencia Sh SL puede agregarse alesfuerzo admisible SA. Luego

Tabla N 6Factorfde Reduccin por Cargas Cclicas

Nmero de ciclos N fN < 7000 1.07000 < N < 14000 0.9

14000 < N < 22000 0.822000 < N < 45000 0.745000 < N < 100000 0.6N > 100000 0.5


[ ]LhhcA -S0,25S1,25SfS ++= (35)Esto es:

[ ]LhcA -)S(S1,25fS += (36)

Anlisis de Flexibilidad en Sistemas de TuberasConsideraciones Generales

Para determinar los efectos de expansin y esfuerzos en un sistema de tuberas, esnecesario conocer:a) Cul cdigo se aplica al sistema

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b) Las condiciones de presin y temperatura de diseoc) Las especificaciones del materiald) El dimetro de tubera y el espesor de pared de cada componente del sistemae) El esquema del sistema incluyendo dimensiones y movimientos trmicos en cualquier

puntof) Limitaciones de reacciones finales en los puntos, tales como las establecidas por los

fabricantes de equiposTeniendo determinadas las bases del problema, el cdigo aplicable podra establecer los

requerimientos mnimos de seguridad para el material a las condiciones de presin ytemperatura de diseo. Algunos cdigos especifican los factores de expansin trmica y elmdulo de elasticidad para materiales comnmente usados en tuberas, as como tambinproporcionan las frmulas para determinar los factores de intensificacin de esfuerzos y losfactores de flexibilidad para los componentes del sistema.

El anlisis de flexibilidad de tuberas consiste en determinar si una lnea posee la suficientecapacidad para absorber las cargas que inciden sobre ella tales como el propio peso de latubera, la expansin trmica, las fuerzas producidas por la presin del fluido, vibraciones,terremotos y otras. Uno de los factores que pueden aumentar o disminuir la flexibilidad de unatubera es su configuracin geomtrica.

Los sistemas de tuberas deben poseer la flexibilidad suficiente de manera que la expansino la contraccin trmica, as como los movimientos de soportes y equipos, no conduzcan a:a) Falla de la tubera o de los soportes por esfuerzos excesivos o fatigab) Fugas en las juntasc) Falla de las boquillas de los equipos conectados (recipientes a presin, bombas, turbinas.),

por reacciones excesivas.Requerimientos de Flexibilidad en un Sistema de Tuberas

En las tuberas, as como en otras estructuras, el anlisis de los esfuerzos puede llevarsea cabo con diferentes grados de precisin. En un extremo est la sencilla comparacin conarreglos similares, que han cumplido satisfactoriamente con los requerimientos del servicio; enel otro extremo, estn los mtodos del clculo, que envuelven largos y complicadosprocedimientos y que son relativamente costosos para un grupo de ingeniera.

Por esta razn debe asegurarse que se cumplan los siguientes requerimientos como

mnimo:a) El rango de esfuerzos en cualquier punto debido a desplazamientos en el sistema no debe

exceder el rango de esfuerzos permisibles establecido en la seccin de esfuerzosadmisibles.

b) Las fuerzas de reaccin no deben perjudicar a los soportes o equipos conectadosc) Los movimientos de la tubera deben estar dentro de los lmites establecidos

Existen dos modalidades de anlisis de flexibilidad: El anlisis de flexibilidad informal y elanlisis de flexibilidad formal.

En este aspecto, el cdigo ASME B31.3 identifica ciertas condiciones, para las cuales nose requiere el anlisis formal para confirmar la aceptabilidad de la tubera, desde el punto devista de su flexibilidad. Estas condiciones son:a) El sistema es similar a otro que ha funcionado con rcord exitoso de servicio productivo.

b) El sistema puede ser juzgado rpidamente por comparacin con otros sistemas similaresanalizados previamente

c) El sistema es de tamao uniforme, no tiene ms de dos puntos de fijacin sin apoyos nirestricciones intermedias y cumple con la ecuacin emprica:

( )k1

U-L

y.D2 (37)

donde:D = dimetro nominal (pulgadas, mm)y = resultante del total de los desplazamientos trmicos que deben ser absorbidos por elsistema (pulgadas, mm)L = longitud desarrollada de la tubera entre los dos anclajes (pies, m)U = distancia en lnea recta entre los anclajes (ft, m)Kl = 0.03 (sistema ingls) o 208.3 (Sistema Internacional)

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En caso de no cumplir con lo antes mencionado, se requiere realizar un anlisis deflexibilidad normal.

Fundamentos relacionados con el anlisis de flexibilidadUna estructura que est sujeta a un cambio de temperatura cambiar sus dimensiones

fsicas si est libre de expandirse. En caso contrario, se inducirn esfuerzos provocndose

fuerzas de reaccin y momentos en los equipos de los extremos.El problema bsico del anlisis de flexibilidad es determinar la magnitud de estos

esfuerzos en la tubera y controlar que las reacciones en los puntos de interconexin conequipos estn dentro de valores aceptables.Tubera Curva

Cuando se utiliza una tubera doblada para cambiar la direccin en un sistema detuberas, su seccin recta se deforma elpticamente cuando est sometido a flexin y suflexibilidad aumenta. Adems, el tubo doblado tiene un mayor esfuerzo que el determinado porla teora elemental de flexin. Esta caracterstica de las tuberas dobladas o codos, se toma enconsideracin en el anlisis de flexibilidad introduciendo los factores de flexibilidad y losfactores de intensificacin de esfuerzos, los cuales son simplemente las relaciones entre laflexibilidad y esfuerzos reales y aquellos tericos derivados de la teora elemental de flexin.

Bajo las reglas del cdigo ASME B31.3, el factor de flexibilidad y el factor deintensificacin de esfuerzos para un tubo doblado o codo estn dados por las siguientesfrmulas:Factor de Flexibilidad, k

La tubera curva tendr una caracterstica de flexibilidad equivalente a la de una tuberarecta de la longitud L . k.Factor de Intensificacin de Esfuerzos, i

El cdigo hace distincin entre la flexin en el plano de curvatura y fuera del plano decurvatura.

1h

0,90plano)el(eni

32

= (39)

1h

0,75plano)delfuera(i

32 = (40)

donde:

h = caractersticas de flexibilidad

=

2r

R.th

t = espesor de la pared del tuboR = radio de curvatura del tubo curvor = valor medio entre el radio exterior e interior de la seccin del tubo.

Las tablas han sido tomadas del cdigo ASME B31.3 donde se muestran los factores deflexibilidad y de intensificacin de esfuerzos para codos, codos fabricados, ramales y puntosterminales.

Consideraciones en el diseo del sistema por flexibilidadLos sistemas de tuberas deben ser lo suficientemente flexibles para evitar esfuerzos

mayores que los permisibles y cargas excesivas derivadas de la expansin trmica.Se deben evitar fallas por fatiga en tuberas y soportes debido a deformaciones muy

elevadas.Para sistemas de tuberas en el rea de la planta de proceso y fuera de ella (onsite y

offsite):SE < SA (43)

Para sistemas de tuberas externos a las unidades de proceso cuando el diseo esgobernado por condiciones anormales de temperatura: Esfuerzo de flexibilidad (SE) menor oigual que el doble del rango de esfuerzos admisiblesSE < 2SA (44)

Sin embargo, esto est limitado a las siguientes condiciones:

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a) Cuando la temperatura anormal del fluido est por debajo de su punto de autoignicin y de500 F (260C)

b) Cuando estas condiciones no ocurren ms de 5 veces al ao.SA se calcula para la condicin normal y no se hace reduccin en el clculo del rango

admisible de esfuerzos (SA) por el esfuerzo longitudinal (SL) que soporta la tubera cuando esmenor que el esfuerzo admisible en caliente (Sh.

Nmero de ciclos a ser consideradosEl nmero de veces en que la lnea est sometida a la combinacin de temperatura y

movimientos en los extremos, tambin tiene influencia en el diseo de un sistema porflexibilidad, ya que la base para la determinacin del esfuerzo de diseo por flexibilidad, estasociada a consideraciones acerca del deterioro por fatiga.

En el cdigo de diseo de tubera en refinera de petrleo (ANSI / ASME B31.3), el rangode esfuerzo admisible es una funcin del nmero de fluctuaciones completas de temperaturadesde la mnima a la mxima temperatura del metal. Este esfuerzo es constante para losprimeros 7000 ciclos de cambio en la temperatura y se reduce para una cantidad mayor deciclos.

Si el nmero de ciclos esperados de cambio de temperatura, durante la vida de la planta,excede 7000 ciclos, el nmero de ciclos deber ser indicado en las especificaciones, para

todas las lneas involucradas.Para propsitos de diseo mecnico, debern utilizarse 20 aos de vida de la planta enel estimado del nmero de ciclos. Esto significa que, aproximadamente, 1 ciclo por da esnecesario para superar los 7000 ciclos (Ver ecuacin 34 y Tabla 6).Proceso General de Evaluacin del Problema de Flexibilidad en las Tuberas

El objetivo del anlisis de flexibilidad de las tuberas es asegurar el sistema contra la falladel material o soportes por sobre esfuerzos, contra fugas en las juntas y contra sobresolicitacin en los equipos acoplados. En el anlisis de flexibilidad de cualquier sistema, lossiguientes pasos son tpicos a fin de confirmar la aceptabilidad de un diseo de tuberas:

Tpicamente, el sistema debe a ser evaluado tiene especificado el tamao de la lnea, elmaterial y el nmero de ciclos de temperatura previstos, definidos por el proceso, y lasconsideraciones de las presiones y temperaturas de diseo. Esta informacin junto con elarreglo de la tubera y el mayor diferencial de temperatura, considerando operacin normal,

puesta en marcha, disparo o paradas, limpieza con vapor, condiciones anormales, etc.,representan los datos necesarios para las evaluaciones de la flexibilidad del sistema.

Con respecto al arreglo inicial, tpicamente se selecciona de tal forma que seaconsistente con las limitaciones en las cadas de presin, el espacio disponible, acceso a losequipos, estructuras existentes para soportes y reglas prcticas inherentes a la flexibilidad de latubera.

Las condiciones en los extremos tienen que ser supuestas. La prctica general en esteaspecto es tomar los puntos terminales como totalmente fijos, en la ausencia de un anlisisdetallado de las rotaciones y deflexiones en los cuerpos de los recipientes, bombas, carcasasde compresores o turbinas u otros anclajes de la tubera.

El diseador deber localizar, con razonable precisin, todos los puntos de restriccionesintermedios incluyendo soportes, guas, topes y todos los ramales que afecten

significativamente la flexibilidad de la tubera. Las mayores restricciones a los movimientoslibres de la lnea debido a guas o soportes, usualmente se toman en consideracin en losclculos o en otras formas de anlisis.

Por supuesto, todas las ubicaciones de los soportes, incluyendo resortes o contrapesos,debern ser considerados para la evaluacin de las cargas aplicadas y esfuerzos atribuidos acargas muertas.

Se debe seleccionar un mtodo apropiado para el anlisis del sistema de acuerdo con suimportancia.

Finalmente, deber hacerse una comparacin de los resultados obtenidos con el rangode esfuerzo admisible, con los criterios de cargas lmites seleccionados para el sistema o losequipos conectados al mismo.Anlisis de Flexibilidad por Computadora

Programas como el CAESAR II estn disponibles para ejecutar anlisis detallados de losesfuerzos en sistemas de tuberas con muchas ramificaciones. Este programa estdesarrollado para ambiente Windows y su principal funcin es el modelaje, anlisis y diseo de

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sistemas de tuberas, objetivo que logra este programa mediante el estudio de aspectosfundamentales del anlisis de tuberas como:a) Esfuerzos por carga sostenida, expansin trmica y operacional en la tubera.b) Esfuerzos y reacciones en boquillas de equipos rotativos y recipientes a presin, segn las

normas API.c) Modelaje y seleccin de soportes.

d) Clculo de desplazamientos y deflexiones en las tuberase) Anlisis y resultados por medio de normas estndar de diseo.

A diferencia de los mtodos simplificados, este programa de computacin puede ejecutarel anlisis de esfuerzos y cargas aplicadas en la tubera de una forma precisa, siendo la nicalimitacin, el espacio para almacenamiento disponible en el computador.

El sistema de tuberas puede estar compuesto por cualquiera de los ms comuneselementos, tales como tramos rectos, codos, ts, etc.

Estos componentes pueden tener cualquier orientacin en el espacio. Las cargaspueden resultar de la expansin trmica, movimientos en los anclajes, peso uniforme de latubera y su contenido, restricciones externas que incluyen fuerzas o momentos aplicados,deflexiones y rotaciones. Los problemas que incluyan apoyos con restricciones parciales ascomo extremos libres, pueden ser resueltos.

En muchos casos se prepara un croquis isomtrico a mano alzada, para discriminartodos los datos pertinentes que se usarn en el anlisis de flexibilidad.Los datos de entrada consisten en una descripcin geomtrica del arreglo: dimensiones,

propiedades fsicas, temperatura de operacin, restricciones impuestas. Esta informacinpuede ser introducida en el sistema mtrico SI o en sistema ingls.

Los elementos de entrada debern ser descritos y numerados en una secuenciadefinida, de manera de permitir la interpretacin correcta de los resultados. Los resultados queproduce el programa de anlisis de flexibilidad incluyen los esfuerzos, deflexiones, rotaciones,momentos y fuerzas en cada punto de inters del sistema de tuberas, as como las fuerzas ymomentos en los anclajes y restricciones.

El anlisis esttico se usa para estudiar la respuesta a cargas cuyas magnitudespermanecen constantes en un perodo de tiempo relativamente largo. Las opciones de cargasestticas en CAESAR II son gravedad (peso muerto), trmica, presin, viento y terremoto. No

obstante, el terremoto no es una carga esttica, pero puede considerarse como una cargaesttica equivalente por simplicidad.

Para efectos de este proyecto no se considerarn las cargas de viento ni de terremoto.El programa CAESAR II ejecuta el anlisis para cargas totales y los pasos son:

a) Analizar por sostenido.b) Analizar por trmicoc) Anlisis operacional

Consideraciones sobre arreglos de tuberasDespus de que el dimetro y el material de la tubera han sido seleccionados y de que

el espesor requerido de pared de los tubos y la clase (rating) de las bridas han sidoestablecidas, el diseador de la tubera tendr que elaborar una disposicin econmica de

tuberas para el nuevo sistema. Adems, el diseador de tuberas debe familiarizarse con losproblemas de soportara, los tipos disponibles de soportes y su aplicacin. Por ejemplo, laslneas de tubera deben ser proyectadas para usar las estructuras existentes en los alrededorespara proveer puntos lgicos de soporte, si hay espacio disponible en tales estructuras y sepuede usar el soporte apropiado.

Consideraciones sobre disposicin generalEn la disposicin y arreglo de sistemas de tubera para refineras, debern tomarse en

consideracin los siguientes requerimientos:Facilidad de Operacin

Los puntos de operacin y control tales como aquellos donde estn instalados vlvulas,bridas, instrumentos, toma-muestras y drenajes, debern ser ubicados de modo que esas

partes del sistema puedan ser operadas con mnima dificultad.Accesibilidad para Mantenimiento

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El sistema de tubera deber ser proyectado de manera tal que cada porcin del sistemapueda ser reparado o reemplazado con mnima dificultad. Deben proveerse espacios libres,como por ejemplo, en los cabezales o extremos de los intercambiadores de calor, carcasa ytubos, para permitir la remocin del haz tubular.Economa

Deben llevarse a cabo estudios de ruta de las tuberas, para determinar el trazado

econmico del sistema. Existe una tendencia frecuente de parte de algunos diseadores aprever excesiva flexibilidad en los sistemas de tuberas. Esto puede incrementar los costos dematerial de fabricacin ms de lo necesario y algunas veces puede conducir a vibracionesexcesivas en el sistema.Requerimientos Especiales de Proceso

Para algunos sistemas de tubera, la presin disponible es crtica, de modo que lasprdidas de presin por flujo debido a codos y otros accesorios en la lnea deben serminimizadas.Ampliaciones Futuras

En el diseo de un sistema de tubera deben hacerse consideraciones sobre laposibilidad de futuras ampliaciones.Apariencia

El sistema de tubera nuevo deber proyectarse de forma que armonice fsicamente conlos sistemas de tuberas existentes, con los equipos y los elementos de infraestructura de larefinera, tales como calles, edificios, etc.Minimizar los Extremos

Los extremos muertos y bolsillos en las partes bajas de los sistemas de tubera debenser evitados en lo posible. Esas partes ocasionan dificultades en el drenaje de los sistemas detubera. Todos los extremos muertos y bolsillos en las partes bajas del sistema, as como lospuntos altos, deben ser provistos de drenajes adecuados.Maximizar el Uso de Soportes Existentes

Donde sea posible, la tubera debe tenderse sobre soportes existentes o extendidos desoportes existentes, con el fin de reducir costos de soportera. La capacidad de carga de lossoportes existentes debe ser evaluada, para asegurarse de que puede soportar la cargaadicional de las tuberas nuevas.Separaciones para Expansin Trmica

Debe preverse la separacin suficiente, entre tuberas adyacentes y entre una tubera yobstrucciones estructurales adyacentes, para tomar en cuenta la libre expansin trmica de latubera. Las separaciones requeridas deben basarse en las mximas expansiones trmicasdiferenciales aun bajo condiciones anormales.Espacios

La tabla 7 indica las separaciones mnimas verticales recomendadas, entre la rasante acabadao parte superior de la placa de piso y el fondo de la tubera, aislamiento o viga de apoyo.

Consideraciones de arreglo para facilitar el apoyo y la sujecinAdems de establecerse la disposicin y el arreglo general de las tuberas y las

condiciones globales de diseo, deben definirse los tipos de arreglos de soportes. A este

respecto, las siguientes son consideraciones generales que afectan el trazado de la tuberapara una sustentacin favorable.

El sistema de tubera deber ser en lo posible, autosoportante y consistente con losrequerimientos de flexibilidad.

Tabla N 7Separaciones Mnimas Verticales

UbicacinSeparacin Mnima

Pies/Pulg. mmSobre vas principales abiertas al trnsito libre(tales como la periferia de los lmites del rea deunidades de proceso)

20 pies 6100

Dentro de las reas de unidades de proceso:encima de vas internas provistas para el acceso 16 pies 4880

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de equipo de mantenimiento y contra incendio.Debajo de puentes de tubera donde el acceso es: Requerido para equipos vehiculares Requerido solamente para equipo de servicio

porttil (temporal)

12 pies

10 pies

3650

3050

Encima de pasarelas y plataformas elevadas 6 pies 9 pulg. 2050

Debajo de cualquier tubera a bajo nivel y sobrereas pavimentadas o sin pavimentar

1 pie 300


El exceso de flexibilidad puede requerir soportes o sujeciones adicionales para evitarmovimiento y vibraciones en una amplitud tal que despierte desconfianza en el personal. Estasituacin es propensa a ocurrir en lneas verticales donde solamente hay un punto de apoyopara sostener el peso.

Las tuberas propensas a vibrar, tales como lneas de succin o descarga de bombasreciprocantes o compresores, debern ser diseadas con sus soportes propios eindependientes de otras tuberas. El diseo debe permitir el uso de apoyos fijos o soportesrgidos que ofrezcan resistencia al movimiento y provean cierta capacidad de amortiguacin, envez de los soportes colgantes.

La tubera debe estar lo suficientemente cerca al punto de apoyo de sujecin, de maneraque el conjunto estructural pueda tener la rigidez adecuada y los componentes de fijacin seansimples y econmicos.

Los tubos de las conexiones superiores de recipientes verticales se apoyan y fijanventajosamente en el recipiente para minimizar movimientos independientes de recipiente,soportes y tuberas, por tanto, tales tuberas deben ser trazadas los ms cerca posible delrecipiente y soportadas muy cerca de la conexin.

Las tuberas sobre estructuras deben ser trazadas debajo de las plataformas, cerca delos miembros estructurales principales, en puntos donde sea favorable aadir cargas, a fin deevitar la necesidad de reforzar esos miembros.

Debe asignarse suficiente espaciamiento para acceso fcil a las partes sujetadoras deaquello soportes que requieran mantenimiento o servicio.

Diseo de soportes para tuberasGeneralidades

La seleccin y el diseo de soportes para tuberas es una parte importante en el estudioingenieril de cualquier instalacin de procesos industriales. Los problemas para diseartuberas para altas presiones y temperaturas, tienden a ser crticos en un punto donde esimperativo qu aspectos de diseo, tales como el efecto de cargas en soportes concentradasen estructuras, cargas sobre equipos conectados debido al peso de la tubera y tolerancias delos soportes respecto a tuberas y estructuras; sean tomados en consideracin en las primerasetapas de un proyecto.

Existen mtodos eficientes establecidos para ejecutar los trabajos requeridos paraarribar a un diseo apropiado de soportes. A continuacin se discutirn varios pasosinvolucrados en el diseo de soportes.Recopilacin de Informacin Bsica

El primer paso involucrado en el diseo de soportes es determinar y obtener la cantidadnecesaria de informacin bsica antes de proceder a los clculos y detalles de los soportes. Eldiseo no ser completo si el ingeniero no tiene la oportunidad de revisar el equivalente a lasiguiente informacin:a) Especificacin del soporte, cuando sea disponibleb) Un sealamiento completo de dibujos de tuberasc) Un sealamiento completo de estructurasd) Una especificacin apropiada de tuberas y datos que incluyan: tamao de la tubera,

composicin, espesor de pared, temperaturas y presiones de operacin.e) Una copia de la especificacin del aislante con su densidadf) Vlvulas y accesorios especiales, indicando sus caractersticas (peso, dimensiones, etc.)

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g) Deflexiones de todas las conexiones de succin de equipos crticos como fondos decaldera, tambores de vapor, conexiones de tuberas, etc.

Guas generales sobre ubicacin de soportes

La ubicacin apropiada de soportes colgantes o soportes fijos involucra consideracionesde la propia tubera, de la estructura a la cual se transmite la carga y de las limitaciones deespacio. Los puntos preferidos de fijacin de la tubera son:

a) Sobre tubera propiamente y no sobre componentes tales como: vlvulas, accesorios ojuntas de expansin. Bajo cargas concentradas (puntuales), las bridas y juntas roscadaspueden gotear y los cuerpos de vlvulas pueden deformarse produciendo goteo, trabazndel vstago o goteo a travs del asiento.

b) Sobre tramos rectos de tuberas en lugar de sobre codos de radios agudos, juntasangulares o conexiones de ramales prefabricados, puesto que en estos sitios se encuentrala tubera ya sometida a esfuerzos altamente localizados, a los cuales se agregaran losefectos locales de la fijacin.

c) Sobre tramos de tuberas que no requieran remocin frecuenta para limpieza omantenimiento.

d) Tan cerca como sea posible de concentraciones grandes de carga, tales como: tramosverticales, ramales de tubera, vlvulas motorizadas o bien vlvulas pesadas y recipientes

menores, tales como separadores, colabores.Espaciamientos de soportesLa localizacin de los soportes depende del tamao de la tubera, configuracin de la

misma, localizacin de las vlvulas y accesorios y de la estructura disponible para el soporte detuberas.

En un tendido de tubera horizontal, sencillo, en campo abierto, el espaciamiento desoportes depende nicamente de la resistencia del tubo. Dentro de los lmites de una unidad deproceso, por otra parte, el espaciamiento de soportes est determinado mayormente por elespaciamiento de columnas convenientemente ubicadas.

Comnmente el espaciamiento o tramo entre prticos de un puente de tubera sedeterminar con base en la tubera ms dbil. Las lneas de dimetro pequeos puedenapuntalarse a lo largo de extensas luces proveyndolas de soportes intermedios, sujetos a lastuberas adyacentes ms grandes; un grupo de tales lneas pueden tambin atarse juntas, de

manera tal que aumente la inercia combinada. Algunas veces, sin embargo, la solucin msprctica es, simplemente, incrementar el dimetro del tubo hasta el punto que seaautosoportante a lo largo de la luz requerida.

Las luces permisibles para lneas horizontales estn principalmente limitadas por losesfuerzos longitudinales que deben mantenerse dentro de los lmites o, en algunos casos, porla mxima deflexin. De igual manera, en otros casos especiales, puede limitarse la luz paracontrolar la frecuencia snica natural de las lneas, de manera de evitar vibracionesindeseables.

El mximo espacio sugerido entre soportes, se encuentra listado en la tabla 10. Esteespaciado se basa sobre un esfuerzo de torsin y cortante combinado de 1500 Psi (10.34MPa), cuando la tubera est llena de agua y se permite una deflexin entre soportes de 1/10(2.54 mm). Estos no se aplican cuando existen pesos concentrados tales como presencia de

vlvulas y otros accesorios pesados o cuando ocurran cambios de direccin en el sistema detuberas.

En caso que se presenten cargas concentradas, los soportes deberan estar puestos tancerca como sea posible a la carga, con la intencin de mantener el esfuerzo flexionante almnimo.

En la prctica, un soporte debera ser colocado inmediatamente despus de cualquiercambio de direccin en la tubera.

Por economa de los soportes de sistemas de baja presin y temperatura y largas lneasexternas de transmisin, la distancia entre soportes se puede basar sobre el esfuerzo totalpermisible de la tubera y la cantidad de deflexin permisible entre soportes.

Tabla N 8

Espaciado Sugerido entre Soportes Exterior Pulg 1 1 2 2 3 3 4Mm 25,4 38,1 50,8 63,5 76,5 88,9 101,6

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EspacioPies 7 9 10 11 12 13 14Mts. 2,134 2,743 3,048 3,353 3,658 3,962 4,267

Exterior Pulg. 5 6 8 10 12 14 16Mm 127 152,4 203,2 254 304,8 355,6 406,4

EspacioPies 16 17 19 22 23 25 27

Mts. 4,877 5,182 5,791 6,706 7,01 7,62 8,23Fuente: lvarez (2003)

Clculos movimientos trmicos de la tubera

El primer paso en el diseo de soportes de tuberas involucra el clculo de la expansintrmica de la tubera en cada soporte localizado. La manera ms econmica de seleccionar eltipo de soporte apropiado es, tomar como criterios de diseo la cantidad de movimiento y lafuerza soportante requerida.

El clculo de deflexiones y expansiones (desplazamientos) en tuberas se puede realizarmanualmente o con el uso de herramientas computarizadas destinadas para tal fin; realizarestos clculos manualmente implica un estudio altamente complicado del sistema, conllevandoa su vez a un gasto de tiempo innecesario si se cuentan con sistemas computarizados quepuedan calcularlas eficientemente.

Los clculos de movimientos en tuberas se sugiere sean hechos con apoyo delsistema CAESAR II; el cual con un alto grado de exactitud, determina los desplazamientos yrotaciones que se generan en el sistema, producto de expansiones trmicas o esfuerzos depresin.

Despus de establecer los puntos de anclajes y soportes de la tubera, se simulan lospuntos de soportes en una corrida del programa CAESAR II.

Los desplazamientos calculados por el sistema CAESAR II sern utilizados paradeterminar el tipo de soporte a utilizar, en cada punto de sustentacin.

Clculos de cargas en los soportes

Las expansiones trmicas de tubera en instalaciones modernas con altas presiones ytemperaturas de operacin, hacen necesario para el diseador, especificar soportes flexibles,para lo cual se requiere un clculo preciso para determinar la carga a considerar para el

soporte.Un sistema de suspensin bien balanceado dar como resultado valores

aproximadamente iguales de las cargas en los colgadores y soportes, siempre y cuando toda latubera sea del mismo tamao y, no haya cargas altamente concentradas ubicadas cerca de unsoporte o colgador. Donde haya cargas concentradas dentro del sistema, las cargas en lossoportes y colgadores adyacentes sern correspondientemente mayores.

Las siguientes cargas deben ser consideradas en los clculos de diseo para soportes:a) Peso de la tubera y el aislamiento, slo donde sea especificado.b) Peso de los fluidos contenidos en la lnea, basado en agua o el fluido contenido; el que sea

mayor. Cuando las lneas no son probadas hidrostticamente, el peso del contenido de lalnea puede ser basado slo en los fluidos contenidos.

c) Las cargas laterales ocasionadas por el movimiento de la lnea o soportes.

El clculo de las cargas de diseo para soportes puede determinarse por los mtodosusuales de la esttica. Obviamente, esto requiere que primero se seleccionen todas lasubicaciones de los soportes para la lnea en consideracin.

Hay mtodos de clculo con calculadoras manuales, sin embargo, son tediosos cuandoinvolucran configuraciones complejas de tubera. Cuando se presenta esta situacin o para elcaso de una tubera pegada a un equipo capaz de absorber cargas, se sugiere usar losprogramas de computacin de flexibilidad en tuberas que existen, para determinar todas lasreacciones de carga en los soportes.

El sistema CAESAR II proporciona la herramienta necesaria para calcular las cargasestticas que actan en todas las direcciones en un punto especificado en el sistema detuberas; por lo tanto, se pueden determinar con un alto grado de exactitud las cargas que sepresenten en los puntos de soporte.

Las cargas sobre los soportes calculados y mostrados por el sistema CAESAR II sern

utilizadas para determinar la capacidad y la dimensin de los soportes a seleccionar.Seleccin de soportes

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La seleccin del tipo de soporte apropiado para cualquier aplicada dada, es gobernadapor la configuracin en particular de la tubera y las condiciones de operacin.

Los tipos de soportes utilizados son clasificados generalmente de la siguiente manera:Soportes flexibles

Cuando una tubera lineal se deflecta verticalmente como resultado de la expansintrmica, es necesario proveer soportes flexibles. Estos aplican la fuerza soportante aunque la

expansin y contraccin ciclen al sistema.Los soportes flexibles se subdividen en dos tipos: de carga constante y de carga

variable.Soportes flexibles de carga constante

Los soportes flexibles de carga constante, proveen una fuerza constante de apoyo,aunque el mismo est al mximo rango de la expansin y contraccin vertical. Esto es logradocon el uso de un resorte helicoidal trabajando en conjunto con un codo de palanca, de talmanera que la fuerza del resorte, multiplicada por la distancia del brazo pivote se igualesiempre a la carga de la tubera multiplicada por la distancia a la palanca pivote.

Debido a que su efecto de soporte es constante, stos son usados donde se deseaprevenir transferencia de cargas de peso a equipos conectados o a soportes adyacentes. Enconsecuencia, generalmente se usan para soportar sistemas de tuberas crticas.

Soportes flexibles de carga variableLos soportes flexibles de carga variable son usados para tuberas sujetas a movimientosverticales donde los soportes flexibles de carga constante no son requeridos. La caractersticainherente de un soporte de carga variable es que la fuerza soportadora vara con la deflexindel resorte y con la escala del mismo, por lo tanto, la expansin vertical de la tubera causa unacorrespondiente traccin o compresin en el resorte y causar un cambio en el efecto desustentacin actual del soporte.

La variacin de la carga es igual al producto de la deflexin vertical y la constante delresorte. Puesto que el peso de la tubera es el mismo durante cualquier condicin, en fro o enoperacin, la variacin en la carga conlleva a la transferencia del peso de la tubera a equipos ysoportes adyacentes y por consecuencia se generan esfuerzos adicionales en el sistema detuberas. Cuando un soporte flexible de carga variable es usado, el efecto de esta variacindebe se considerado.

Los soportes flexibles de carga variable son para uso general, sobre sistemas detuberas no crticas y donde el movimiento vertical es de pequea magnitud con respecto a lacriticidad del sistema. Se considera prctico limitar la variacin de la fuerza sustentadora a un25% para sistemas crticos sobre tuberas horizontales.Soportes rgidos

Los soportes rgidos son normalmente usados en puntos donde no ocurren movimientosverticales de la tubera.

Las consideraciones de diseo para un soporte rgido son: la temperatura de la tubera,para seleccionar el material de la abrazadera y la carga para seleccionar los componentesadecuados para el peso de la tubera implicada.

El material de la abrazadera de la tubera es usualmente acero al carbono paratemperaturas de hasta 750F (398.89C), acero aleado para temperaturas superiores a 750F

(398.89C) o hierro forjado para temperaturas de hasta 450F (232.22C)Para sistemas de tuberas de baja temperatura de operacin, donde la expansin

vertical no es considerada, los componentes de ensamblaje del soporte son seleccionados ydiseados sobre el clculo bsico de resistencia de materiales o cargas aproximadas.

En algunas instancias, el soporte rgido adems de ser usado como soporte del peso dela tubera, es tambin adecuado como una restriccin del movimiento vertical de la tubera. Enestos casos el ingeniero debe ejecutar con sumo cuidado la localizacin de los soportes rgidosy la carga de diseo que se use para seleccionar los componentes adecuados.

La instalacin indiscriminada de un artefacto restrintor sobre un sistema de tubera,podra alterar los esfuerzos y reacciones en la tubera de manera severa, cambiando el diseodel sistema a uno en el cual se exceden los lmites de un buen diseo. Es por ello que sedeben revisar los valores generados por la instalacin de estos soportes durante el clculo de

los esfuerzos y reacciones, para que no sobrepasen los permisibles recomendados por loscdigos ANSI/ASME para el diseo de tuberas.Otra clasificacin de soportes para tuberas es la siguiente:

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Colgadores o Soportes

Se usan para soportar el peso de sistemas de tuberas. Si se encuentran colocados porencima se denominan colgadores y, si estn por debajo se denominan soportes. Loscolgadores o soportes a su vez se clasifican en:a. Colgadores o soportes rgidos: Para puntos libres de desplazamiento vertical.b. Amortiguadores de resorte: Puntos con desplazamientos menores a 2 (50.8 mm) en

servicios no crticos.c. Colgadores o soportes de carga variable: Puntos con desplazamientos mayores a 2 (50.8

mm)d. Colgadores o soportes de carga constante: Puntos con desplazamiento vertical en servicios

crticos.Restricciones

Para restringir o limitar el movimiento de sistemas de tuberas debido a expansintrmica.

Las restricciones se clasifican en:a. Anclajes: Para fijar completamente la tubera en ciertos puntos.b. Topes: Para prevenir el movimiento longitudinal de la tubera permitindole rotar.

c. Guas: Para permitir desplazamientos en una direccin especfica.d. Amortiguadores: Para limitar el movimiento de la tubera debido a fuerzas diferentes alpeso y a la expansin trmica.

e. Clasificacin de los Amortiguadores o Snubbers:

f. Controladores de vibraciones: Para prevenir o disminuir vibraciones.

g. Amortiguadores hidrulicos o mecnicos: Para suprimir el movimiento debido aterremotos, golpes de ariete, sin restringir la expansin trmica.

Definicin de Trminos BsicosAnclaje Direccional: Es una estructura que restringe el movimiento axial de una tubera dentrode un rango determinado.Cargas Dinmicas: Son aquellas cargas que varan con el tiempo, ejemplo: cargas de viento,

terremoto, etc.Cargas Sostenidas: Son aquellas cargas que despus de la deformacin del material al queestn aplicadas, permanecen constantes. Ejemplo: cargas por peso.Guas: Son estructuras que dirigen el movimiento de una tubera en la direccin que se desea.Las formas y tamaos de las guas varan mucho. Estas estructuras pueden estar ligadas aotros tipos de soportes de tuberas como las zapatas.Lazo de Expansin: Es una configuracin geomtrica determinada de un segmento de tuberaque permite que sta se expanda con una disminucin considerable de los esfuerzos.Rating: Clasificacin.Soporte: Cualquier material, instrumento, etc., que sirve para que algo se apoye sobre l, opara sostenerlo o mantenerlo en una determinada posicin.Zapata: Consiste en una estructura metlica vertical soldada a una tubera y otra horizontal quese asienta sobre la viga o arreglo en el que la tubera se apoya. Su funcin es permitir que latubera se desplace a causa de la expansin trmica sin sufrir efectos de friccin.

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Pressure Piping B31.3. U.S.A

Trabajo enviado por :Ing. Eddin GoteraMSc Mantenimiento [email protected]@gmail.com

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mailto:[email protected]:[email protected]

Guia para diseño de tuberia

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