Fundamentos del Análisis de Tensiones de Tuberías Sif(tipo de __ez_fad_posición!=’undefined’) {__ez _ fad _ position (‘div-gpt-ad-whatispiping_com-box-3-0’)};

El análisis de tensiones de tuberías es la actividad más importante en el diseño de tuberías. Una vez que las tuberías se enrutan siguiendo las directrices de diseño, deben verificarse mediante un análisis de tensiones de tuberías para garantizar que funcionen sin problemas durante toda su vida útil de diseño. Este artículo explicará los puntos básicos para el Análisis de Tensiones de tuberías. El Análisis de Tensiones de Tuberías también se denomina Análisis de Flexibilidad de Tuberías.

Objetivos del Análisis de tensiones de tuberías

El análisis de tensiones de sistemas de tuberías críticos se realiza para garantizar los siguientes objetivos.

Integridad Estructural:

• Adecuación del diseño para la presión del fluido portador.
• Falla contra varias cargas en el ciclo de vida. Limitación de tensiones por debajo del código permitido.

Integridad operativa:

• Limitar las cargas de boquilla del equipo conectado dentro de los valores permitidos.
• Evitar fugas en las articulaciones.
• Flacidez limitante & desplazamiento dentro de los valores permitidos.

Diseño óptimo:

• Evitar una flexibilidad excesiva y también altas cargas en las estructuras de soporte. Apunte hacia un diseño óptimo tanto para tuberías como para estructuras.

Códigos y Normas de Regulación para el Análisis de Tensiones de tuberías

Los códigos y normas especifican los requisitos mínimos para un diseño y construcción seguros (es decir, proporciona requisitos de material, diseño, fabricación, instalación e inspección.)

A continuación se presentan los códigos y estándares utilizados para el análisis de tensiones de tuberías de proceso:

1. ASME B31.3: Código de tubería de proceso
2. ASME B31.1: Código de tubería de alimentación
3. Bombas centrífugas: API 610
4. Bombas de desplazamiento positivo: API 676
5. Compresores centrífugos: API 617
6. Compresores alternativos: API 618
7. Turbinas de vapor: NEMA SM23/ API 612
8. Intercambiador de calor refrigerado por aire: API 661
9. Calentadores encendidos: API 560
10. Tanques de almacenamiento soldados de fondo plano: Intercambiadores de calor API 650
11. : TEMA / Específico del Proveedor.
12. Recipiente/Columna: Específico del proveedor/ ASME Sec VIII
13. ASME B 31.4/ASME B 31.8: Análisis de Tensiones de tuberías
14. ISO 14692: Análisis de Tensiones de tuberías GRE/GRP/FRP

Tensiones en un sistema de tuberías

Fuentes para la generación de tensiones en un sistema de Tuberías:

1. Peso
2. Presión interna / externa
3. Cambio de temperatura
4. Cargas ocasionales debidas al viento, perturbaciones sísmicas, descarga de PSV, etc.
5. Fuerzas debidas a vibraciones.

Tensiones sostenidas en el sistema de tuberías

Las tensiones sostenidas son las tensiones generadas por cargas sostenidas. (por ejemplo, Presión, Peso). Estas cargas están presentes de forma continua a lo largo de la vida vegetal.

La fuerza resistiva que surge de tensiones sostenidas equilibra las fuerzas externas manteniendo el sistema en equilibrio. Exceder el valor de tensión admisible de sustain causa una falla catastrófica del sistema.

Según ASME B 31.3, (cláusula 302.3.5) ” La suma de las tensiones longitudinales, SL, en cualquier componente de un sistema de tuberías, debido a cargas sostenidas como la presión y el peso, no excederá “Sh”. Donde Sh = Tensión básica admisible a la temperatura del metal para la condición de funcionamiento considerada.

Las tensiones de presión se resuelven calculando y seleccionando el grosor adecuado de la tubería. El espesor de presión (t) de un tubo recto se puede obtener según ASME B31.3 de la ecuación (Cláusula 304.1.2) mencionada en la Fig.1:

Haga clic aquí para conocer el cálculo del grosor de la tubería en detalles

Tensiones de expansión en el sistema de tuberías

• El cambio en la longitud de una tubería de longitud L debido al cambio de temperatura (ΔT) viene dado por ΔL=L α ΔT Aquí, α =Co eficiente de expansión térmica = cambio en la longitud del elemento de longitud de unidad debido al cambio de temperatura de la unidad.
• Dos valores “α” (indicados por A y B)en Código (Cuadro C-1 y C-1M en el apéndice C de ASME B31.3):
  • El coeficiente térmico ” A ” de la tabla C-1 indica el coeficiente medio de expansión térmica lineal entre 70 grados F y la temperatura indicada (µin/in/0F).
  • El coeficiente térmico ” B ” de la tabla C-1 indica la expansión térmica lineal total entre 70 grados F y la temperatura indicada (unidad=in/100 pies).
  • La tabla C-1M proporciona valores de eficiencia térmica en el sistema métrico.
• Las tensiones de expansión se generan cuando se restringe el crecimiento térmico libre debido al cambio de temperatura. Estos son autolimitados o autorreferentes.

Factor de Intensificación de Esfuerzos en el Análisis de Esfuerzos de tuberías

SIF (Factor de Intensificación de esfuerzos): Esta es la relación entre la intensidad máxima de esfuerzos y el Esfuerzo nominal. Los factores SIF para diferentes componentes se pueden obtener del Apéndice D de ASME B31.3 hasta la edición de 2018. A partir de ASME B31.3-2020, se ha suprimido el apéndice D. Ahora se requiere que los usuarios utilicen ASME B31J o FEA para encontrar los valores de SIF.

Las ecuaciones para Calcular el Rango de Esfuerzos de Expansión y el Valor de Esfuerzo admisible

El rango de Esfuerzos de Desplazamiento debido a la expansión térmica se calcula sobre la base de la ecuación SE por la ecuación 17 de ASME B31.3( cláusula 319.4.4).

Este valor SE no excederá del valor SA donde SA= Rango de Esfuerzos de desplazamiento permitidos.

Según el código ASME B 31.3 (Cláusula 302.3.5), el rango de esfuerzo de desplazamiento permitido (SA) se puede indicar mediante la ecuación (Fig.2):

En este caso, f = Factor de reducción del rango de tensiones y Sc = tensiones básicas permitidas a temperaturas mínimas de metal

• Cuando Sh > SL, el rango de esfuerzos permitido se calcula mediante la siguiente ecuación (Fig. 3): SL=Esfuerzo longitudinal debido a cargas sostenidas.

Tensiones ocasionales en tuberías

• Las tensiones ocasionales son generadas por cargas ocasionales como viento, sísmicas,descarga de PSV, etc.
• Estas cargas actúan en un sistema de tuberías durante un período de tiempo muy pequeño, generalmente menos del 10% del período de trabajo total.
• Según ASME B31.3, cláusula 302.3.6 “La suma de las tensiones longitudinales, SL, debidas a cargas sostenidas, como presión y peso, y de las tensiones producidas por cargas ocasionales, como viento o terremoto, debe ser ≤ 1.33 veces la tensión admisible básica, Sh”
• El código no explica explícitamente las tensiones generadas por la vibración.
• Los problemas de vibración se resuelven mediante el juicio y la experiencia de ingeniería.

Reducción de tensiones en las tuberías

Las tensiones en las tuberías se pueden reducir mediante varios métodos, como

• , proporcionando soportes a la luz adecuada para reducir las tensiones de peso (sostenidas).
• Proporciona flexibilidad para reducir las tensiones de expansión de tuberías generadas por la carga térmica, por ejemplo. Bucles de expansión, Desplazamientos, Inclusión de codos para cambiar de dirección.

Comprobación de flexibilidad (según la cláusula 319.4.1, ASME B 31.3):

Consulte la Fig. 4

Tensión Admisible básica / Tensión de material de tubería

Mínimo de (Según ASME B 31.3)

1. 1/3er de Resistencia a la Tracción Final (UTS) del material a temperatura de funcionamiento.
2. 1/3 de UTS de material a temperatura ambiente.
3. 2/3 de resistencia a la tracción del rendimiento (YTS) del material a temperatura de funcionamiento.
4. 2/3 de YTS de material a temperatura ambiente.
5. 100% de la tensión media para una tasa de fluencia de 0,01% por 1000 horas.
6. Para materiales de grado estructural tensión básica admisible = 0,92 veces el valor más bajo obtenido del 1 al 5 anterior.

Cargas en un sistema de tuberías

Hay dos tipos de cargas que actúan sobre un sistema de tuberías: Cargas estáticas y Cargas dinámicas

Las cargas estáticas son aquellas cargas que actúan muy lentamente y el sistema tiene tiempo suficiente para reaccionar contra ellas. Ejemplos de cargas estáticas se muestran en la Fig.1

Por otro lado, las cargas dinámicas actúan tan rápidamente que el sistema no tiene tiempo suficiente para reaccionar contra ellas. Ejemplos de cargas dinámicas se muestran en la Fig.2

Diagrama de Flujo de Trabajo para Análisis de Tensiones de Tuberías

La interacción del equipo de Tensiones de Tuberías con otras disciplinas en cualquier organización se muestra en la Fig. 3:

Criticidad del Esfuerzo y Métodos de Análisis

•  Líneas altamente críticas (Turbinas de vapor, tuberías conectadas a compresores): Mediante Análisis por Computadora
• Líneas moderadamente críticas de AT (líneas conectadas AFC): Mediante Análisis Por Computadora
• Líneas críticas bajas de AT: Cálculo Manual Visual / Simple / Análisis por computadora y Líneas no críticas
• de la serie NO: Inspección visual

Análisis de tensiones con Caesar II

Caesar II de Hexagon es el software internacional de análisis de tensiones de tuberías más popular y ampliamente utilizado. El análisis de tensión de tubería se realiza normalmente en cuatro pasos, como se indica a continuación:

• Recopilación de datos para el Análisis de Tensiones de tuberías
• Realizar el análisis de tensiones
• Interpretar los resultados y sugerir cambios si es necesario
• Proporcionar Recomendaciones basadas en el Análisis

Entradas necesarias para el Análisis de Tensiones de tuberías:

• Isométrico de esfuerzos del Grupo de Diseño
• Tabla de Designación de Línea (LDT) o Lista de Líneas y P&ID del proceso
• Equipo GA y Otros dibujos detallados de Mecánica
• Diagrama de flujo del proceso/hoja de datos si es necesario del proceso
• Especificación de material de tubería
• PSV/ Válvula de control GA y Hoja de datos de Instrumentación
• Características del suelo de civil para análisis subterráneo
• Estándares de limitación de carga de boquilla
• Plano de parcela para encontrar elevación de HPP y orientación del equipo.
• Código de gobierno

Análisis de tensiones:

• Comprobación de la integridad del sistema de tuberías recibido como paquete de tensión.
• Numeración de nodos en Iso de tensión.
• Llenar los parámetros de diseño (temporeros de diseño, presión, Ope. Temperatura, Mín. Temperatura, Densidad de fluido, Material, Tamaño de línea y espesor
  , espesor de aislamiento y densidad, tolerancia a la corrosión, etc.) en Iso de tensión.
• Modelado del sistema de tuberías en Caesar utilizando parámetros de Iso de tensión.
• Analizar el sistema y obtener resultados.

Conclusión & Recomendación:

Si aceptar el sistema o sugerir los cambios necesarios en el diseño y el soporte para que el sistema sea aceptable según los requisitos estándar.

Salidas del Análisis de Tensiones:

•  Iso de marcado final a Disposición
• Cargas de soporte de WET a Civil
• Hojas de datos de Suspensión de resorte de WET.
• Hojas de datos de USB para Soportes especiales como Soportes oscilantes, Puntales,Amortiguadores, etc.
• Dibujos de los SPS de la empresa
• Documentación final del paquete de esfuerzos de la empresa para registros

Otro Software de Análisis de Esfuerzos de Tuberías:

Hay algunos otros softwares de análisis de tensión de tuberías disponibles en el mercado que se utilizan como alternativas a los softwares Caesar II, como

• Tubo automático de Bentley
• Start-Prof by PASS (Rusia)
• Rohr-2 de SIGMA Ingenieurgesellschaft mbH (Alemania)
• CAEPIPE de SST Systems Inc (EE.)

Tipo de soportes de tubería

El análisis de tensión de tubería estará incompleto sin unas pocas palabras sobre los soportes de tubería. Análisis de tensiones de tuberías, en una forma es la selección de soportes adecuados y colocarlos en la ubicación correcta para evitar tensiones perjudiciales en los sistemas de tuberías. Se utilizan varios tipos de soportes en la industria de tuberías y tuberías, como

• Soporte de reposo: Restringe los movimientos hacia abajo.
• Soporte de guía: Detener los movimientos laterales.
• Tope de línea o Tope axial: Restringe el movimiento axial o longitudinal de la tubería.
• Soporte de anclaje: Completamente fijo. Restrinja los seis grados de libertad. La tubería en este punto de soporte no puede traducirse ni girar.
• Soporte de suspensión de resorte variable: Soporte flexible, Actúa como soporte de descanso con flexibilidad a los movimientos térmicos.
• Percha de resorte constante: Soporte flexible, Actúa como soporte de descanso permitiendo desplazamientos térmicos.
• Colgador rígido: Soporte para colgar desde la parte superior.
• Puntales: Sujeción dinámica
• Amortiguadores: Sujeción dinámica
• Tirantes oscilantes, etc.

En el análisis de tensiones de tuberías, los soportes se pueden clasificar en dos grupos

1. Soporte de tubería Unidireccional y
2. Soporte de Tubería Bidireccional.

El soporte de tubería unidireccional es libre de moverse en una dirección como +Y, +X, +Z, etc. aquí los soportes son libres de moverse en +y, +x y +z respectivamente. Sin embargo, el soporte de tubería bidireccional detiene el movimiento en ambas direcciones, como los soportes Y, X o Z.

Fundamentos del Análisis de Tensiones de tuberías Video Tutorial

Para aprender los puntos mencionados anteriormente en detalles, consulte el siguiente video:

Cuestionario para Análisis de Tensiones de Tuberías

• ¿Cuáles son los diversos tipos de cargas que causan tensiones en el sistema de tuberías?
• ¿A qué código nos referimos para Tuberías de refinería?
• ¿Qué norma rige el diseño de las bombas?
• El coeficiente de expansión térmica de una sustancia es de 1,8 mm / m / Deg.F. ¿Cuál es su valor en mm/mm/°.¿C.?
• Calcule el espesor mínimo de tubería de un material sin costura de 10″ NB A106-Gr B con una presión de diseño de 20 bares. (Temperatura de diseño = 350 grados C y margen de corrosión = 1,6 mm)?