analisis_flexibilidad_1

Curso Basico de Ana lisis de Flexibilidad en Tuberias y Equipos ~E5PDIL Engineering Consultsnts

TEMA 1 GENERALIDADES DE LAS TUBERiAS

1 INTRODUCCION

La funci6n de las tuberias en todas las plantas de procesos yJo potencia es la de transportar de un lugar a otro gases Ifquidos 0 particulas s61idas suspendidas los cuales se encuentran bajo ciertas condiciones de presion y temperatura

Los sistemas de tuberias deben ser disenados de manera tal que exista una f1exibilidad suficiente que impida que las expansiones 0 contracciones termicas y los movimientos generados por los equipos a los que estan conectados 0 las cargas extern as conlleven fallas de la tuberia 0 de los soportes por esfuerzos excesivos 0 fallas en las boquillas de los equipos a los que se encuentren conectadas por reacciones mayores a las admitidas por estos

La realizaci6n de un anal isis de flexibilidad tiene como objetivo primordialla verificaci6n de los esfuerzos en las tuberias las fuerzas y momentos resultantes en las boquillas de equipos soportes y uniones bridadas de tal forma que estos facto res cum plan con los parametros indicados en la norma respectiva 0 los valores indicados por los fabricantes de los equipos y de esta manera asegurar la operaci6n normal de los sistemas de tuberias bajo las condiciones de cargas tanto internas como externas a las que se encuentren sometidas

EI analisis de flexibilidad de tuberias provee las tecnicas de ingenieria necesarias para realizar un diseFio de tuberias sin sobrecargas ni sobreesfuerzos en los componentes de las tuberias ni en las conexiones con los equipos

EI analisis de flexibilidad puede ser estructurado en dos partes fundamentales

- Analisis Estatico EI cual incluye el analisis de las conexi ones ramales y codos el anal isis de la tuberia y el analisis de los equipos involucrados en el sistema

- Analisis Dinamico EI cual se utiliza para realizar estudio de vibraciones y de lineas sometidas a cargas dinamicas

2 PROPIEDADES Y CARACTERisTICAS MECANICAS DE LAS TUBERiAS

Tuberia todo tipo de tubo fabricado de acuerdo con los tamailos que aparecen en la tabla E21 (ver anexo 1) y en los estandares del American Society of Mechanical Engineers ASME (B3610 Y B3119) se denominan tuberias Las caracteristicas de tuberias que se presentan en estas tablas se muestran a continuacion

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Diam Nominal Schedule Espesor Diam Area Area de Superficie Superficie Peso Peso del Momento Modulo Radio Diam Externo a b c de pared Intemo deflujo metal externa interna por pie agua por pie de inercia resislente de giro

(in) (in) (in) (in2) (in2

) (in2pie) (in2pie) (Ib) ___(Ib) in~ (in3 ) (in)

EI diametro interno para un mismo tamano nominal de una tuberia varia junto con su espesor Para tuberias de 14 pulgadas y mayores los diametros externos son iguales a los diametros nominales Antes de la introduccion de los numeros de cedula (schedule) para designar los espesores de pared de tuberia se empleaban los terminos peso estandar (s) extra fuerte (xs) y doble extra fuerte (xxs) para indicar estos mismos espesores Los tamanos hasta 10 cedula 40 son las mismos que peso estandar y tamaFios hasta 8 en cedula 80 son los mismos que extra fuerte Doble extra fuerte a sido dejada de fabricar en varios tamaFios empleandose en su lugar cedula 160 La tolerancia de fabricacion admitida para tuberias es del 125 del Espesor Nominal de Pared (D especificado en la tabla E21

Tubos el resto de productos tubulares que no sean fabricados en tamanos estandar son lIamados tubos Los taman os se designan por su diametro externo y cada tamaFio se ofrece en una gran variedad de diametros intern os EI principal uso de los tubos se reduce a los tubos de los Intercambiadores de Calor

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Instructor lng Pablo Molina MSc

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Engineering Consultants

lineas de instrumentos pequenas interconexiones en equipos como Compresores Calderas y Refrigeradores

Tamanos y longitudes comunmente usados en tuberfas de Acero al Carbono Los fabricantes de tuberfas ofrecen una gran gama de tamanos de tuberfas desde 18 hasta 44 de diametro nominal De 18 a la tuberfa es usualmente utilizada para Ifneas de instrumentos 0 de servicios (agua aire y gas) La tuberfa de es muy usada para trazas de vapor y tuberfas auxiliares en bombas Las tuberfas rectas son construidas de varias longitudes de acuerdo a su diametro tuberfas de 3 m 6m 12m y hasta 15m (inusual) de longitud Los bordes de las tuberfas pueden ser pianos (PE) biselados (BE) 0

roscados (TE)

Importancia del area de tuberfas (Piping) en proyectos de ingenieria Costo del material del proyecto 30 Trabajo de montaje 35 Horas Hombre (HH) de ingenierfa 50

Propiedades Geometricas y caracteristicas mecanicas de las tuberias

Diametro Externo (D) Diametro interior (d)

Diametro Nominal (Dn) Nominal Pipe Size (NPS)

d ~Dn ~ d Dn~D

Espesor de pared (t)

I t=D-d

EI sch Y t t si d I D=cte

1 t= a

d

1ft

Superficie Externa (pie2pie)

Superficie Interna (pie2pie)

Am = J[ (D2 _d 2)area Metalica (in 4

area de flujo (in 2) Af = J[ d 2

4 Peso de metal por pie de Tuberfa (Ibpie) W = 34Am(CS) = O6802t(D - t)

Peso de agua por pie de Tuberfa (Ibpie) Ww = 0433Af = O3405d 2

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Instructor Ing Pablo Molina MSc

J[

Ao=-D 12

bull J[Al=-d

12

c

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Engineering Consuftsnts

Radio de giro (in) Rg=

Momento de Inercia (in4) J =O049l(D4 - d 4

) Am Rg2

Modulo de Seccion (in3) Z = 2JD O0982(D4 d 4 )D

Esta expresiol1 nos da fa masa para obtener el peso se debe multiplicar pOl la aceleracion de la gravedad del sitio

Numero de Cedula 0 Schedule de tuberia Las tuberfas en sus varios tamanos son hechas con varios espesores de pared para cada tamano los cuales han sido establecidos por 3 diferentes fuentes

1) American National Standards Institute (ANSI) establece Numeros de Schedules (10 -160)

2) American Society of Mechanical Engineers (ASME) y American Society for Testing and Materials (ASTM) establecieron las siguientes designaciones - sro (estandard) - XS (extrafuerte) - XXS (dobJe extrafuerte)

3) American Petroleum Institute (API) estableci6 las designaciones 5L y 5LX

EI numero de Schedule se obtiene en forma aproximada a partir de la expresi6n

Numero de Cedula = lOOOP s

donde

lbsS = esfuerzo admi sible de trabajo en pulg2

P presion manometrica intcrna en lbs 1 2 pu g

La expresi6n anterior se basa en la formula para el calculo del espesor de la tuberfa

PD tm t +c tm -+c

2S

donde tm Espesor minimo requerido incluyendo tolerancia de mecanizado corrosion y erosion en puig t Espesor del tubo debldo a presion en pulg D Diametro exterior del tubo en puig

Tolerancia mecanizado corrosion y erosion en pug

En conclusion el numero de cedula es una expresion que viene a ser mas 0 menos proporcional en relacion entre la presion de trabajo y el esfuerzo admisible y tambien a la relacion entre el espesor corrofdo y el diametro exterior

Espesor Nominal de pared de tuberfa sometida a presion Interna (t) Para tuberias metalicas con un espesor de pared t lt Of 6 el espesor nominal de la pared de tuberia recta (t) se puede calcular de la siguiente forma

PD P(d + 2c)t=---- o t - ---------------

2(SE+PY) - 2[SE - P(1- Y)]

donde t = Espesor nominal de pared pulg P Presion de diseiio imerna psi D Diametro exterior de a tuberia puig

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S - EsJuerzo permisible de la tuberia a la temperatura de diseiio (Tabla A-l del ANSI B3l3) E = Factor longitudinal de Junta adimensional (Tabla A-1A 0 A-1B del ANSI B3l3) Y = Coeficiente (ver tabla 21 0 tabla 30411 del ANSI B3l 3)

Para espesores de pared t ~ 06 0 para relaciones de PSE gt 0385 el calculo del espesor de pared de tuberia recta por presi6n interna requiere de consideraciones especiales respecto a ciertos factores tales como teo ria de falias efectos de fatiga y esfuerzos termicos

La tolerancia de fabricaci6n usualmente se estima en 125 de t

TABLA 21 (Tabla 30411 ANSI B313) Valores de Y para materiales ferrosos

Temperatura of

MATERIAL

Ferretic

Austenitic

Nfkel Alloys

Other ductile

Cast iron

S 900

04

04

04

04

0

950

05

04

04

04

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07

04

04

04

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07

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gt1250

07

07

07

04

3 TIPOS DE FALLAS COMUNES EN SISTEMAS DE TUBERIAS

Las falias mas comunes que pueden sufrir los sistemas de tuberias son las siguientes

~ Falias por sobrepasar esfuerzos admisibles

~ Fatiga en los materiales

~ Esfuerzos excesivos en los elementos de un soporte

~ Fugas en juntas 0 uniones

~ Mal funcionamiento 0 deterioro de un equipo p~r fuerzas y momentos excesivos en las boquillas

~ Resonancia por cargas dinamicas

EI analista de esfuerzo debe estudiar estas fallas y disenar sistemas de tuberias que eviten la aparici6n de las mismas

Las causas que comunmente dan origen a este tipo de fallas son las siguientes

~ Errores en el diseno yen el analisis de flexibilidad 0 por falta de este

~ Falta de comunicaci6n interdisciplinaria (Tuberias Civil Equipos y Procesos)

~ Falta de una adecuada supervisi6n de construcci6n

~ Falta de personal en obra con experiencia en flexibilidad

4 CRITERIOS DE SELECCION PARA EL GRADO DEL ANALISIS DE FLEXIBILIDAD DE TUBERIAS EI primer paso para la realizaci6n de un analisis de flexibilidad es determinar las condiciones a las que esta sometido el sistema de tuberias para verificar el tipo de anal isis requerido dependiendo si el sistema a analizar es critico 0 no

Usualmente el analisis de esfuerzos debera realizarse con las condiciones de flexibilidad del proyecto (temperatura y presi6n) suministradas por el Departamento de Procesos en las Listas de Lineas En caso que en un proyecto determinado no se tenga dicha informaci6n el anal isis debera ser realizado con las condiciones de operacion y de disefio de los sistemas Cuando estemos en presencia de lineas criticas

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Engineering Coneultants

en las cuales las configuracion no nos permita obtener resultados satisfactorios se podra realizar el analisis con las condiciones de operacion del sistema previa aprobacion del Lider de Flexibilidad del Proyecto

EI Uder de Flexibilidad de un Proyecto es la persona encargada de determinar cuales son las lineas que requieren amilisis de flexibilidad manual 0 computarizado y cuales no la prioridad de las Ifneas criticas a analizar y debera reflejarlas en la Lista de Lfneas del Proyecto

Una guia para verificar los sistemas de tuberias que requieren anal isis de flexibilidad es la siguiente

a) Se debera realizar analisis especializado a las siguientes lineas

Todas las Hneas de alta presion superior a Class 2500 (segun el ANSI 8165)

Todas las lineas de alta temperatura superior a los 1000 of (537degC)

bull Tuberias mayores de 48 de diametro

bull Lineas con Juntas de Expansion

b) Se debera realizar anillisis por computadora a las siguientes lineas Lineas conectadas a bombas y compresores centrifugos yo reciprocantes y a turbinas que cum plan con Diametro mayor 0 igual a 3 con temperatura 2 a 50C 0 6 C

Uneas conectadas a enfriadores por aire (Air Cooler)

Uneas conectadas a recipientes segun ASME Seccion VIII Division 2 (presiongt 3000 Ib)

Uneas conectadas a hornos 0 calentadores de llama directa

bull Lineas conectadas a equipos de aluminio

Lineas conectadas a cajas frias

bull Uneas sometidas a vibraciones 0 a cargas ocasionales significativas que requieran de analisis dinamico

bull Sistemas sujetos a presion externa

bull Uneas de procesos enterradas

Uneas de transferencia de Etileno de vapor de alta presion 0 de sistemas de alivio de alta presion

c) Se debera realizar solamente analisis visual debido a que no requieren analisis formal de flexibilidad a las siguientes lineas

bull Sistemas similares a otros con un record exitoso de funcionamiento

Sistemas que al analizarlo rapidamente se puede comparar con otro similar realizado previamente

Sistemas de tamano uniforme con no mas de dos puntos de fijacion sin apoyos 0 restricciones intermedias y cumplen con c ________ _

B

Dy s Kl

(L-Uy A

donde

D = diametro nominal (in mm)

y = resultante de todos los des plazamientos que deben ser absorbidos par el sistema (in mm)

longitud desarrollada par la tuberia entre los dos anclajes (fl m)

U = distancia en linea recta entre los anclajes (ft m)

KJ = 003 en el sistema Ingles de unidades 0 2083 en el sistema Sf

Criterios de Selecci6n segun Design of Piping Systems (Kellogg)

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L

~

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Para establecer el tipo de estudio requerido para las tuberfas la Kellogg establece las siguientes categorras

Categorfa I

Las Ifneas ubicadas dentro de esta categorfa deben ser revisadas por ellfder de flexibilidad del proyecto de

manera que este establezca el procedimiento de estudio para el caso

o Uneas de alta presion donde su valor de diseno excede 10 admisible por el ANSI 8165 Clase

2500

o Uneas con temperaturas superiores a 1 OOOdegF (538 middotC)

o Uneas con diametros mayores a 48

o Uneas disenadas con mas de 22000 ciclos

o Lineas que manejan servicios Clase M (ver figura M300 ASMEANSI 8313)

o Uneas de transferencia de Etileno

10


Colbull 1

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Categoria II

Las line as en esta categoria requieren de un estudio mandatorio por computadora

o Todas las lineas comprendidas en la Categoria II de la Fig 41

o Uneas conectadas a bombas reciprocantes compresores y turbinas con temperaturas

superiores a 250degF y mayores de 3

o Uneas conectadas a bombas y 24 y temperatura 2300 of 212 y temperatura 2250degF lineas con

diametro superior al equipo y temperatura 2300F

o Uneas conectadas a los siguientes equip os

o Recipientes ASME Seccion VIII Division 2

o Hornos

o Equipo de aluminio

o Air Coolers

Categoria III

Las Ifneas comprendidas en esta Categoria requieren de un analisis el cual puede efectuarse por metodos

aproximados Dentro de esta Categoria se encuentran todas las tuberias pertenecientes a la Categoria III

de la Fig 41

Categoria IV

Las Ifneas comprendidas en esta categoria solo requieren una inspeccion visual 0 el uso de metodos

aproximados Dentro de esta Categoria se encuentran todas las Hneas indicadas en la Fig 41 como

Categoria IV

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f

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M

A

S

ampT 6000

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P 4000

E

R 3000

A

T 200

U 1000

R

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of -2000

CATEGORIA II

CATEGORIA III

CATEGORIA IV

CATEGORIA II

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ampMAS

Fig 41 Clasificaci6n de Ifneas de acuerdo a Kellog

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4

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5 COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES

EI comportamiento de los materiales ductiles tales como ASTM A53 Gr B se puede observar mediante una curva Esfuerzo Vs Deformaci6n

O ~ofJ0 1 ~

i I 1 S - 1r I(lpet-7

~O~ [MEn I l -~

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I

I

I I

IE IEIope

I I

I I

I IracUflt

I I

he ufiimale strength Ou

Donde E es el Modulo de Elasticidad del material se puede leer en la Tabla C-6 del Apendice C del ANSI B313 (ver anexo 2)

Esta curva nos muestra el limite de fluencia de los materiales as como la variaci6n de esfuerzos en los materiales con respecto a las deformaciones sufridas en las tuberias

EI Esfuerzo de Fluencia (cry) es el punto en el cual cada desplazamiento adicional puede causar una deformaci6n permanente 0 ruptura de los elementos sometidos a esfuerzos AI realizar el analisis de f1exibilidad se busca no superar en ningun momento el limite de fluencia para que la deformaci6n del material no sea permanente 0 se genere la fractura del material

EI Esfuerzo Ultimo 0 Resistencia a la Tracci6n (cru) es el punto mas alto de la curva y para muchos materiales es el punto donde ocurre la rotura de la probeta

Los valores de los esfuerzos admisibles se obtienen segun la temperatura en las normas correspondientes a cada sistema de tuberias Para tuberias metalicas los valores de esfuerzos admisibles se encuentran en la Tabla A-1 del Apendice A de la norma ANSI 8313 (ver anexo 3)

Algunas Propiedades Mecanicas de los Materiales se muestran en la tabla siguiente

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v

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Engineering Consultents

TablE 151 Basic l11chaukal PropErties

Symbol Definition Rtmalks

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Proportional limit at onset of noticeable yielding (or at onset of nonlinear elastic behavior)

02 offset yield ~trength (but yielding can occur at o 01 if jPI (Jy)

PTrue fracture strength 0 r -shy

to ~_ True fracture ductility

in Ao in 100 Af lOO-RA

Ao-Percent reduction of area KA A xl00

o

Strain hardening exponent j K r

Area under (j VS pound cwve

Ultimate strenmh~ P Amti

o 2

Modulus of resilience At (jPL 2E

Hookes law Tand Ep effects small

T and eeffects small

Tanet pound middoteffects small

Flow property inaccurate Tand ~11 effects large

Flow property~ accurate I and eft effects large

fracture property T and ep effects medium

Max ~ fracture property Tand Ep

effects medium

Frncture property T and fp effects medium

Flow property~ Tandeurop effects srrutll to large

True toughlle~s or intrinsic toughness Tand tp effects large

Frncture property T and poundp effects medium

~4re4 under original ela~tic portion of (j - ~ Cl1fe

Notes Tis temper3mre fp refers to prior plastic strain e~pecially cyclic plastic strain (fatigue) (these are qualitatrve indicators here exceptionlgt are possible)

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6 NORMAS DE DISENO EN PLANTAS DE PROCESOS

Las normas mas utilizadas en el analisis de sistemas de tuberfas son las normas del American National Standard Instituto y la American Society of Mechanical Engineers ANSIIASME (B313) Cada uno de estos c6digos recoge la experiencia de numerosas empresas especializadas investigadores ingenieros de proyecto e ingenieros de campo en areas de aplicaci6n especfficas a saber

B311 Power Piping

B313 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping

B314 Liquid Transportation Systems for Hydrocarbons Petroleum Gas Anhydrous Ammonia and Alcohols

B315 Refrigeration Piping

B318 Gas Transmission and Distribution Piping Systems

B319 Building Services Piping

83111 Slurry Transportation Piping Systems

En 10 relativo al diseno todas estas normas son muy parecidas existiendo algunas discrepancias en relaci6n a las condiciones de diseno al calculo de los esfuerzos y a los factores de seguridad que se establecen para definir la tabla de estuerzos basicos admisibles

Restringiemdonos al aspecto del diseno de sistemas de tuberfas estas norm as establecen basicamente criterios en relaci6n a 10 siguiente

a) Tipos de cargas a considerar

b) Calculo de los estuerzos generados p~r los distintos tipos de cargas

c) Evaluaci6n de estuerzos admisibles

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lineas de instrumentos pequenas interconexiones en equipos como Compresores Calderas y Refrigeradores

Tamanos y longitudes comunmente usados en tuberfas de Acero al Carbono Los fabricantes de tuberfas ofrecen una gran gama de tamanos de tuberfas desde 18 hasta 44 de diametro nominal De 18 a la tuberfa es usualmente utilizada para Ifneas de instrumentos 0 de servicios (agua aire y gas) La tuberfa de es muy usada para trazas de vapor y tuberfas auxiliares en bombas Las tuberfas rectas son construidas de varias longitudes de acuerdo a su diametro tuberfas de 3 m 6m 12m y hasta 15m (inusual) de longitud Los bordes de las tuberfas pueden ser pianos (PE) biselados (BE) 0

roscados (TE)

Importancia del area de tuberfas (Piping) en proyectos de ingenieria Costo del material del proyecto 30 Trabajo de montaje 35 Horas Hombre (HH) de ingenierfa 50

Propiedades Geometricas y caracteristicas mecanicas de las tuberias

Diametro Externo (D) Diametro interior (d)

Diametro Nominal (Dn) Nominal Pipe Size (NPS)

d ~Dn ~ d Dn~D

Espesor de pared (t)

I t=D-d

EI sch Y t t si d I D=cte

1 t= a

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Superficie Externa (pie2pie)

Superficie Interna (pie2pie)

Am = J[ (D2 _d 2)area Metalica (in 4

area de flujo (in 2) Af = J[ d 2

4 Peso de metal por pie de Tuberfa (Ibpie) W = 34Am(CS) = O6802t(D - t)

Peso de agua por pie de Tuberfa (Ibpie) Ww = 0433Af = O3405d 2

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Categoria III



de la Fig 41

Categoria IV



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CATEGORIA II

CATEGORIA III

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01

Or

pound t

RA

n

Tougbue~s

~

Mr



Poison~ ratio v e

i4Ig1t







o




o 2









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15






B311 Power Piping












16


c





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7








Temperatura of

MATERIAL

Ferretic

Austenitic

Nfkel Alloys

Other ductile

Cast iron

S 900

04

04

04

04

0

950

05

04

04

04

1000

07

04

04

04

1050

07

04

04

04

1100

07

05

04

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1150

07

07

04

04

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07

07

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07

07

07

04

















8


























B

Dy s Kl

(L-Uy A

donde







9


L

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Categorfa I




2500






10


Colbull 1



NO

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No



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g NQU

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(1

= ~ ~ ~ 0p ~

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~ tl gt-1 I rr ~

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bull

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See para aCOdJlt~


~2

vet

ViS No

fib



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YtI1




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Categoria II









o Hornos


o Air Coolers

Categoria III



de la Fig 41

Categoria IV



Categoria IV

12


f


M

A

S

ampT 6000

E

M 5000

P 4000

E

R 3000

A

T 200

U 1000

R

A _500

of -2000

CATEGORIA II

CATEGORIA III

CATEGORIA IV

CATEGORIA II

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ampMAS


13


4




O ~ofJ0 1 ~


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I

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