DISEÑO DE RECIPIENTES A PRESION

El calculo de un recipiente consiste, básicamente en la determinación de los espesores de las diferentes partes que lo forman, teniendo en cuenta, la forma del equipo, sus dimensiones, el material a utilizar, las condiciones de presión y temperatura, Norma o Código que debe de cumplir el diseño del recipiente.

CODIGO ASMELlamado también como el código de la ASME; significa American Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos).Es una sociedad subsidiada por el Gobierno Norteamericano donde se realizan una serie de ensayos o pruebas con todo lo relacionado a la Ingeniería Mecánica, y obteniéndose como resultados conclusiones importantísimas para la Ingeniería Mecánica.

Estas conclusiones son dadas como normas Internacionales a través de su código ASME. Manual al cual se deben basar todos los Ingenieros Mecánicos.ASME ha emitido el documento denominado ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE que consta de 11 secciones pero las mas importantes son las siguientes:

Sección I - Calderas de PotenciaSección II - Especificaciones de MaterialesSección III - Calderas NuclearesSección IV - Calderas de CalentamientoSección V al VIII - Recipientes a PresiónSección IX - Calificación de Soldaduras

Para el calculo debemos de disponer de los datos básicos de diseño, tales como presión y temperatura de diseño, velocidad o presión del viento, coeficiente sísmico, tipo de material, margen o sobre espesor de corrosión, código o Norma a utilizar en el calculo, etc.

Esta presión debe ser en todo caso mayor a la máxima que se pueda producir en cualquier momento de la operación, su valor se puede fijar como el mayor de:

Se recomienda diseñar un recipiente y sus componentes para una presión mayor que la de operación.

Este requisito se satisface utilizando una presión de 30 lb/pulg2 o 10% más que la presión de trabajo.

Al igual que en el caso anterior debe de ser superior a la máxima que se produzca durante la operación, y es habitual adoptar como temperatura de diseño el valor de:

T = Máxima Temperatura de Operación + 20 C.

Los materiales utilizados comúnmente son: aceros al carbono, aceros de baja aleación, Aceros Inoxidables y en menor medida otros materiales como Aluminio, Plásticos reforzados, etc., la elección del material a utilizar se realiza en base a tres factores fundamentales:

• Temperatura de Diseño,• Presión de Diseño y • Características corrosivas del fluido contenido en el

recipiente.

Cuando los fluidos son medianamente corrosivos, normalmente no se recurre a la solución de utilizar aceros inoxidables, puesto que su costo es muy superior a los aceros al carbono, por lo que para compensar la corrosión se diseñan con un sobreespesor . El valor de este sobreespesor es igual al máximo espesor corroído previsto durante 10 años, este valor en la practica oscila de de 1 a 6 mm.

Bien por norma, código o requerimiento de transporte, etc., se debe de fijar un valor mínimo del espesor, como guía práctica se puede adoptar que el espesor no sea menor que el mayor de:

emin >= (2.5+De)/1000 + C (mm) emin >= 3+ C (mm) Según ASME VIII Div. 1 emin = 2.5 + C (mm)

La unión entre las planchas se realiza, normalmente por medio de la soldadura. La realización de la soldadura y el calentamiento y rápido enfriamiento al que esta sometido la zona próxima a la soldadura, dan pie a considerar la zona de soldadura como debilitada.

Teniendo en cuenta este hecho, en el calculo de los recipientes se introduce una reducción en la tensión máxima admisible multiplicando a esta por un coeficiente denominado eficiencia de la soldadura (E).

Según ASME: E = 0.85; si se realiza un radiografiado por puntos a la

soldaduras. E = 1; si el radiografiado de las soldaduras es total.

La presión interna en un elemento cilíndrico produce dos tipos de tensiones: circunferenciales y longitudinales, siendo el valor de las primeras el doble de las segundas. Por lo tanto cuando las diferentes normas o códigos se incluyen las formulas que definen el espesor exigido, estas están basadas en las tensiones circunferenciales que se producen.

Todo recipiente sometido a presion debe ser comprobado antes de su puesta en operación, la comprobación consiste en ensayos no destructivos, tales como radiografiados, comprobación con líquidos penetrantes, etc. de las soldaduras y una prueba hidráulica del recipiente a una presion mayor que la de diseño.

Los valores mínimos de la presion de prueba hidráulica varían según los códigos de diseño.

CASCO O CUERPO CILINDRICO

CAPES

RPt

4.0

tR

tESP

4.0

TAPA ELIPSOIDAL 2:1

CAPSE

DPt

8.12

tD

tESP

8.1

2

Donde: Pd = Presión de Diseño (Lb/pulg2) S = esfuerzo del material (Lb/pulg2) E = Eficiencia de la junta. R = radio (pulg) D = Diámetro (pulg) t = espesor de la pared (pulg) C.A = Margen de espesor por

corrosión.

DISEÑO DE TANQUES A PRESION

PRESIÓN INTERNA PRESIÓN EXTERNA ESFUERZOS EN RECIPIENTES

HORIZONTALES GRANDES SOPORTADOS POR SILLETAS

DISEÑO DE SILLETAS REGISTROS NORMAS

1. Presión de operación.Presión que se requiere en el proceso del que forma parte el recipiente, a la cual trabaja este normalmente.

2. Presión de diseño.Se recomienda diseñar un recipiente y sus componentes para una presión mayor que la de operación. Este requisito se satisface utilizando una presión de 30 lb/pulg2 o 10% más que la presión de trabajo. Además debe tomarse en consideración las presiones de los fluidos y de cualquier otra sustancia en el recipiente.

3. Máxima presión permitida de operación.La presión a la que está sujeto el elemento más débil

del recipiente correspondiente al esfuerzo máximo

admisible, cuando se supone que el recipiente está:en estado de desgaste por corrosióna una temperatura determinadaen posición normal de trabajobajo el efecto de otras cargas (viento, presión externa,

presión interna, presión hidrostática ,etc)

4. Presión de la prueba hidrostáticaEs 1.3 veces la máxima presión permitida de operación de diseño, cuando no se hacen los cálculos para determinar la presión máxima permitida de trabajo.Si el valor del esfuerzo el material del recipiente a la temperatura de diseño es menor que la temperatura de prueba, la presión de prueba hidrostática debe incrementar proporcionalmente.

Datos: Presión de 300 psi = 300lb/pulg2

Presión de diseño es Pd=Pop + ( 30lb/pulg2 ó 10%Pop) Pd=300 + 30 =330lb/pulg2

Radio = 16” interior S = valor del esfuerzo de la placa SA:515_70@650ºF => 17500 lb/pulg2 ver

(TABLA Nº 1)

TABLA N 1

E= 0.85 eficiencias en la junta del casco y la cabeza hemisférica al casco, examinadas por zonas

C.A. = 0.125 pulg. (1/8”) Margen de corrosión

(estándar). Hallamos el espesor para el casco o cilindro.

125.0)330(6.085.017500

)125.16(330..

6.0

.).(

x

ACPSxE

ACRPt

Usar t = 0.5 pulg.

lg48.0 put

Calculando la presión máxima de trabajo permitida para t = 0.5

2lg/3.4565.06.016

5.085.017500

6.0pulb

x

xx

tR

SxExP

to

Calculo para la esfera y la cabeza hemisférica.

3.0125.0)330(2.085.0175002

)125.16(330..

2.02.).(

xxAC

PxSxACRP

tt

Usar cabeza de t = 0.3125”= 5/16”

Presión máxima de trabajo permitida

2lg/8.5783125.02.016

3125.085.0175002

2.0

2pulb

x

xxx

tR

xSxExP

to

El optimo que tomaremos será el mayor espesor t=0.5”

Los recipientes que habrán de fabricarse para trabajar sujetos a presiones externas de 15 lb/pulg2 o menores, y que llevarán la placa con el símbolo de la norma para indicar que cumplen con las reglas para presión externa, deberán diseñarse para una presión externa máxima permitida de 15 lb/pulg2 . Norma UG-28(f).

Un recipiente que se haya diseñado y construido de acuerdo a los requisitos del código para presión interna y que se requiera para usarse bajo una presión externa de 15 lb/pulg2 o menor, no necesita diseñarse de acuerdo a normas

Esto no será aplicable si el recipiente trabajará a una temperatura inferior a - 20 ºF, y deberá determinarse la presión de diseño de acuerdo a la norma, UCS-6(c) (2) o a la UHA-51(b) para evitar la necesidad de una prueba de impacto

Los recipientes de una sola pared diseñados para vacío o vacío parcial, deberán someterse a una prueba hidrostática interna, o cuando no sea posible hacer la prueba hidrostática, a una prueba neumática. UG-99(f). Cualquiera de las dos pruebas deberán hacerse a una presión no menor de 1 ½ veces la diferencia entre la presión atmosférica normal y la presión interna absoluta mínima de diseño. UG-99(f).Prueba neumática: Norma UG-100El método de diseño se ajustan a las indicaciones de la Norma sobre recipientes a presión de la ASME, sección VIII. DIV. 1. Las gráficas se han tomado de dichas normas

Calculo de long: L =?

lg84.186

00035.0

5.15

)75.2(9044

será optimo tamaño

90

tablade lg1774.0

85.017500125.0330

..

22

3

1

puL

A

piesL

xDV

L

piesV

puF

xxxSxEACP

F

L= 186.84 pulg

Hallamos los siguientes parámetros

665.0

33

66.533

84.186.

t

DoDo

L

Ingresamos a la tabla N:3Factor A =0.00035Factor B= 4200 Para Do/t ≥ 10 Presión max. Permitida

2lg84.84

66342004

pulb

xx

Pa

Tabla N.3

ESFUERZOS EN RECIPIENTES HORIZONTALES GRANDES SOPORTADOS POR SILLETAS

Q = Carga sobre una silleta R = Radio de cascoS = Esfuerzo lb/pulg2ts = Esfuerzo de pared del cascoth = Esfuerzo de las cabezas( sin margen de corrosión)K = Cte Ө = Angulo de contacto de silleta.

Datos:

A = 0.2L =0.2x186.84 = 37.368pulgb = 18.684pulgL1 = 175.84P = 330lb/pulg2Q = 200000lb carga sobre la silletats = 0.5 pulgӨ = 120º gradosMaterial de casco placa SA 515_70@650 ºFValor del esfuerzo permitido 17500 lb/pulg2 de tabal N: 1Eficiencia de la junta 0.9 a 1Punto de cadencia 38000 lib/pulg2

TABLA N:4

CALCULO DE LOS ESFUERZON EN LAS SILLETAS

22

22

2

1

22

l

lg96.49180

5.05.16335.0

)

84.1753

5.1641

84.175368.372

5.165.16

84.175

368.371

1(368.37200000

3

41

21

1

silletas lasen Esfuezo

pu

lb

xxx

xxxX

xxRKL

HxAxL

HR

L

A

QxA

S

allongitudindeeflexionantEsfuezoS

S

l t

CALCULO DE LOS ESFUERZON ENTRE LAS SILLETAS

22

22

1 lg30.3194

5.05.1614.3

84.175368.374

84.17535.164

1

84.1753736825.165.16

2184.175200000

pulb

xx

x

xx

xxx

x

S

Esfuerzo debido a la presión interna

2lg5445

5.025.16.330

2 pulb

xtPR

s

Suma de esfuerzos de tensión 3194.3 + 5445 = 8639.3 lb/pulg2La suma no es mayor que el esfuerzo en la costura circunferencial 17500 x 0.85 = 1575015750 > 8639.3

OK!

ESFUERZO CORTANTE TANGENCIAL( S2)A> (R/2) => 37.368 > (16.5/2)K2 = DE TABLA Nº 4

22

2 lg36.14507

35.164

84.176

368.37289.1755.05.16

200000173.1

34

)2(pulb

xx

xx

HLRx

ALxQKS

st

S2 no es mayor que el valor de esfuerzo del material del casco multiplicando por 0.8517500x0.85 =14875lb/pulg215750 > 14875 OK!

ESFUERZO CIRCUNFERENCIALEsfuerzo en el cuerno de la silleta (s4) para ts = 1Con L > 8R186.84 > 8(16.5) => 186.84 > 132

K6=0.053 de tabla Nº 5

LA formula es:

24

24

26

4

lg1285.20225159001285.4325

)1(2200000053.03

5.016556.164.18)(5.0(4

200000

2

3

)56.1(4

pulb

S

S

QK

Rb

QS

sss ttt

TABLA N: 5

S4 no es mayor que el valor de esfuerzo del material del casco

multiplicado por 1.517500 x 1.5 = 25250 lb/pulg2

26250 > 20225 OK!

27

lg6.6085

15.1656.11864(1

20000076.0

56.1( pulb

Rb

QKS

sss tt

Esfuerzo en la parte inferior del casco (Ss)

Ss no es mayor que el punto de cadencia por compresión por 0.538000 x 0.5 = 19000lb/pulg26085.6 < 19000 OK!

DISEÑO DE SILLETAS

Datos:Q = 200000lb => Peso del recipiente = 100000lbMaterial de la silleta SA 515_70@650Ө = ángulo de contacto = 120ºRu = 0.204 de la tabla N: 6

5.53

5.163

R

Espesor de la placa del alma = 1 pulg.Fuerza F = Ku x Q = 0.204 x 200000=40800 lbPara soportar esta fuerza el área efectiva de la placa del alma debe ser

2

2

lg18.7418

5.540800

lg5.515.513

pulb

puR

Esfuerza permitido =

92003

138002

9200 > 7418.18 OK!

TABLA Nº 6

TABLA N: 7

REGISTROSFORMA DE LOS REGISTROS Los registros de inspección en los recipientes sujetos a presión deben ser de preferencia circunferencial, elípticos u oblongo es el formado por dos lados paralelos y extremos semicirculares. La abertura para un tubo o una tobera circular cuyo eje no sea perpendicular a la pared o a la cabeza del recipiente, puede tomarse, para fines de diseño, como registro elíptico.TAMAÑO DE LOS REGISTROSLas aberturas reforzadas correctamente no tienen limitación en cuanto a tamaño, pero cuando un registro en la cabeza de un casco cilíndrico sea mayor de la mitad del diametro interior de la cabeza, se recomienda usar secciones de reduccion del casco en lugar de cabezas, como se ilustra en las normas.

ESPESOR DEL CUELLO DE UNA BOQUILLAPara recipientes sujetos a presión interna (sin incluir

al acceso y el registro de inspección) ( Norma UG-45)

El espesor de la pared del cuello de la boquilla o de otra conexión no deberá ser menor que el valor mayor de lo siguiente:

el espesor calculando para las cargas aplicables sobre el cuello de la boquilla (presión, reacción de la tubería, etc.)

el valor menor de lo siguiente:el espesor de la cabeza o casco (a donde esta

conectada la boquilla) necesario para soportar la presión interna (suponiendo E=1.0) más el margen por corrosión, pero para recipiente soldados en ningún caso deberá ser menor que 1/16 pulg.

el espesor mínimo de la pared del tubo estándar mas el margen por corrosión.

TABLA Nº 9

TABLA Nº 10

SELECCIÓN DE LA BRIDA

De la tabla Nº 9 seleccionamos una brida de clase 300lb a una temperatura de 700 º F , de la tabla Nº 9 del diametro interior del recipiente de 12 <16.5 <18 pulg. seleccionamos dos aberturas con tubo roscado de 1 ½ pulg de diametro según la norma UG-46(c)De tablas diametro interior 16pulg y a un tamaño nominal 1 ½ obtenemos una distancia de penetración de la boquilla en el casco de 0.0625

TABLA Nº 12

SOLDADURA DE RECIPIENTES SOMETIDOS A PRESIÓN

Requisitos de las normas.De acuerdo al tipo de junta, las normas establecen

requisitos basados en el servicio, el material y la ubicación de la soldadura. Los procesos que pueden aplicarse en la construcción de recipientes están restringidos también por las normas.

Las normas se presentan en los Tipos de juntasDiseño de juntas soldadasEficiencias de junta

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

RECIPIENTES A PRESIÓN, CALDERASASME, Boiler and pressure vessel code, 1986I Calderas de central eléctrica.II Especificaciones de materiales.III Elementos de la planta de energía.IV Calderas para almacenamientos.V Examen no destructivo.VI Reglas recomendadas para el cuidado y la operación de las calderas para el Calentamientos.VII Reglas recomendadles para el cuidado de calderas de central eléctrica.VIII Recipientes sujetos a presión. División 1, División 2, Reglas alternativas.IX Calificación de la soldadura fuerte y la de bajo punto de fusión o autógena.X Recipientes a presión hechos de plástico reforzado con fibra de vidrio.XI reglas para inspección en servicio de los elementos de las plantas de energía nuclear.

CODIGO ASME SECCION VIII DIVISION  

En esta parte del código se establecen los requerimientos mínimos para el diseño, fabricación e inspección y para obtener la certificación autorizada de la ASME para los recipientes a presión.En base a esto se ha dividido en:

Subsección A. Parte UG que cubre los requerimientos generales.Subsección B. Requerimientos de fabricaciónParte UW.- Para recipientes que serán fabricados por soldadura.Parte UF.- Para recipientes que serán fabricados por forjadoParte UB.- Para recipientes que serán fabricados utilizando un material de relleno no ferroso a este proceso se le denomina "brazing"

Subsección C. Requerimientos de materiales

Parte UCS.- Para recipientes construidos con acero al carbón y de baja aleación.Parte UNF.- Para los construidos con materiales no ferrosos.Parte UCI.- Para los construidos con Hierro fundido.Parte UCL.- Para los construidos con una placa "clad" integral o con recubrimiento tipo "lining". Parte UCD.- Para los construidos con Hierro fundido dúctil.Parte UNT.- Para los construidos con aceros ferriticos con propiedades de tensión mejoradas por tratamiento térmico.Parte ULW.- Para los fabricados por el método de multicanas. Parte ULT.- Para los construidos con materiales con esfuerzos permisibles más altos a bajas temperaturas.  

LIMITACIONES DE LA DIVISIÓN 1

La presión deberá ser menor a 3000 psi. Calentadores tubulares sujetos a fuego. Recipientes a presión que son parte integral de componentes de sistemas de tubería Sistemas de tuberías. Componentes de tubería. Recipientes para menos de 454.3 litros (120 galones) de capacidad de Agua, que utilizan aire como elemento originador de presión. Tanques que suministran agua caliente bajo las siguientes características: Suministro de calor no mayor de 58,600 W (200,000 Btu/h) Temperatura del agua de 99° c (210°f) Capacidad de 454.3 lt (120 galones) Recipientes sujetos a presión interna o externa menor de 1.0055 Kg./cm² (15psi) Recipientes que no excedan de 15.2 cm (6 pulg) de diámetro.