diseÑo recipientes a presion

Requisitos de Diseño

Objetivo

Al final de esta lección, el participante tendrá el entendimiento básico de las reglas para el diseño y como estas son aplicadas. El participante también entenderá como determinar cuales reglas son aplicables a una situación en particular y como determinar los valores apropiados que tienen que ser aplicados a estas reglas.

Tópicos de la Lección

Filosofía del diseño en la Sección VIII, Div.1 Responsabilidades por los parámetros de diseño Tipos de juntas y limitaciones Radiografía Consideraciones de espesor Restricciones en el diseño de cabezas

Filosofía del Diseño en la Sección VIII, División 1

Los requisitos de diseño en la Sección VIII, División 1 están basados en: El tipo de fabricación, y El tipo de material usado.

La filosofía de diseño en la Sección VIII, Div. 1 es el cumplimiento de las reglas del código con factor de seguridad 4, mientras en la Div. 2 y Div. 3 es por análisis.

Requisitos de Servicio U-2

El dueño tiene que especificar el tipo de servicio como también cualquier otra información pertinente o el fabricante podría no estar capacitado para cumplir con los requisitos aplicables del Código para las condiciones de servicio requeridas.

Formulas Diseño

Si una formula del Código es aplicable para un componente en particular bajo consideración, el uso de esta formula es obligatorio.

Tipos de Servicio

Cinco tipos de condiciones de servicio son relacionados en la Sección VIII, y todas excepto una se encuentran en UW-2:

Servicio Letal.Servicio a Baja Temperatura.Calderas de Vapor sin Fuego Directo.Recipientes con Fuego Directo.Sin Restricciones (no se encuentra en UW-2).

1

/tt/file_convert/55721365497959fc0b923853/document.doc

Cargas de Diseño UG-22

Varios tipos de cargas son identificados en la Sección VIII, y todos tienen que ser considerados en el diseño del recipiente. Estos son:

Cargas por Presión. Gradientes por Temperatura. Peso del Recipiente y su Contenido. Cargas Superpuestas (por ejemplo estáticas) Esfuerzos Localizados. Cargas de Impacto. Cargas de Viento.* Cargas de Terremoto.*

* Cuando sean aplicables, utilizando el código estructural

Nota: La Sección VIII, División 1 suministra reglas únicamente para calcular las cargas por presión. Para las otras condiciones, cualquier práctica de ingeniería aplicable puede ser usada.

Responsabilidades por los Parámetros de Diseño

Dentro del "Sistema ASME" existe un interface entre varias organizaciones, cada una de ellas tiene sus deberes específicos asignados o realiza ciertas funciones. Esto origina la pregunta ¿quien es el responsable? Cada organización es responsable por realizar sus deberes asignados, sin embargo, el Poseedor del Certificado es el único responsable por asegurar el cumplimiento de todos los requisitos aplicables del Código.

Responsabilidades del Usuario

El usuario deberá suministrar al fabricante la siguiente información, tal que el recipiente sea diseñado para cumplir las condiciones de servicio intentadas:

Presión y Temperatura de Diseño. Cargas. Tolerancia de Corrosión. Requisitos de Servicio. PWHT (tratamiento térmico post soldadura) o RT (radiografía) si no son requeridos

por el Código (adicionales a los requisitos).

El Diseño Puede Ser Realizado Por:

Los recipientes de acuerdo con la Sección VIII, División 1, pueden ser diseñados por el comprador, su agente designado, el poseedor del certificado o su sub-contratista. Sin embargo, el Poseedor del Certificado quien estampara el recipiente será siempre responsable por cumplir todos los requisitos del Código, incluyendo aquellos relacionados con el diseño. No existe en la Sección VIII, División 1, requisitos para la calificación de diseñadores.

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Tipos de Junta y sus Limitaciones

Categorías de las Juntas

La categoría de una junta esta definida por su localización en el recipiente. A – junta longitudinal

B – junta circunferencial

C – junta de bridas

D – junta de cuellos de bocas

Ver figura para más información.

Tipos de las Juntas Soldadas

Además de la categoría, el Código define las juntas por su tipo. El tipo define la configuración (forma) de la junta soldada

Tipo 1 – juntas a tope, doble, que se pueden realizar por ambos lados o por un solo lado cumpliendo con UW-35. Si se utiliza el anillo de respaldo, este deberá ser retirado al final.

Tipo 2 – juntas a tope, simple (de un lado), con anillo de respaldo - UW-13(b)(4); fig.UW-13.1(k)

Tipo 3 – juntas a tope, simple (de un lado), sin anillo de respaldo

Tipo 4 – junta de traslape (superposición), doble (de doble filete)

Tipo 5 – junta de traslape (superposición), simple (de un solo filete) con soldadura de tapón según UW-17

Tipo 6 – junta de traslape (superposición), simple (de un solo filete) sin soldadura de tapón

3


Limitaciones En Los Tipos de Junta

Tipo de junta

Circunferencial Longitudinal

Espesor Diametro Notas Espesor Notas

1

UW-35

Todos Todos A,B,C,D

Ful E = 1,0 Spot 0,85 None 0,7

Todos A,B,C,D

Ful E = 1,0 Spot 0,85 None 0,7

2

UW-13 (b) (4)

Todos excepto< 5/8 para desplasadas< 3/8 para hemisfericas

Todos A,B,C & D

Ful E = 0,90 Spot 0,80None 0,65

Todos A,B,C & D

Ful E=0,90 Spot 0,80None 0,65

3 < 5/8 < 24 O.D. A,B, & C

Ful NASpot NANone 0,60

No permitida

4 < 5/8 Todos B & C


< 3/8 A


5

UW-17

Cabeza CuerpoEsp. Cuerpo < ½

Cuerpo chaquetaEsp. Cuerpo < 5/8

< 24 O.D.

Todos

B


C


No permitida

6 Cabezas covexasa la presiónesp. cuerpo < 5/8

Todas las cabezasEsp. cuerpo < ¼

Todos

< 24 I.D.

A & BFul NASpot NANone 0,45

A & BFul NASpot NANone 0,45

4


Recipientes para Servicios Especiales

Servicio Letal, UW-2(a)

Cuando los recipientes son diseñados para servicio letal:

Todas las juntas a tope soldadas deberán ser totalmente radiografiadas.

Las juntas de las diferentes categorías deberán ser

Categoría A Tipo 1

Categoría B Tipo 1 o 2

Categoría C Tipo 1 o 2 (Excepto para la fabricación con junta de solape de “stub end” - Figura UW – 13.5

Categoría D Completa penetración

Servicio Criogenico UW-2(b)

Recipientes de acero al carbón operando por debajo de - 50 oF por UCS-68.

Recipientes de acero altamente aleado cuando las pruebas de impacto del metal base o del metal soldado son requeridas por UHA-51.

Estas restricciones aplican:

Categoría de la Junta Tipo de Junta

A 1 (1 o 2 para ciertos aceros inoidables austeniticos y sus soldaduras)

B 1 o 2

C Completa Penetración (Las bridas tienen que ser pegadas con soldaduras de completa penetración - no se aceptan bridas "slip-on").

D Completa Penetración, excepto para algunos materiales de UHA-23 por UW - 2(b)(4).

5


Calderas de Vapor Sin Fuego Directo UW-2(c)

Calderas de vapor sin fuego directo con una presión de diseño excediendo de 50 psi. Una caldera recuperadora de calor es un ejemplo de una caldera de vapor sin fuego directo.


A 1

B 1 o 2

C Sin restricciones

D Sin restricciones

Recipientes con Fuego Directo UW-2(d)

Recipientes a presión o partes sujetas al fuego directo producto de la combustión de combustibles (sólidos, líquidos, o gaseosos), los cuales no se encuentran dentro del alcance de las Secciones I, III, o IV.


A 1

B, t > 5/8" 1 o 2

C Sin restricciones

D Sin restricciones

Radiografía

Tipos de "RT"

Total, "Spot"(por puntos), Ninguna

Requisitos de RT

Además del RT requerido por el servicio, las soldaduras a tope que excedan ciertos espesores también tienen que ser radiografiados. Por ejemplo, la Tabla UCS-57, también UHT-57 requiere RT total para todas las juntas Tipo 1.

RT Opcional

Cuando la RT no es requerida por las reglas especificas del código, el grado de RT es una opción del diseño y es determinado por la eficiencia de la junta deseada y/o el factor de calidad por

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UW - 11 y UW - 12./tt/file_convert/55721365497959fc0b923853/document.doc

UW-12: Elciencias de las Juntas

Cuando la RT no es especificada por el Código, esta puede ser usada como una opción de diseño, por lo cual el diseñador puede usar eficiencias de diseño más altas si se realizan radiografías adicionales. Estas opciones pueden ser aplicadas a un recipiente entero, o a incrementos de soldadura individuales o a juntas como es permitido en UW-12.

Definiciones

(a) Multiplicador del Esfuerzo:

"E" es un multiplicador del esfuerzo el cual puede ser aplicable a una eficiencia de la junta o a un factor de calidad

Excepto por UW-11(a)(5), los multiplicadores del esfuerzo aplican a las juntas, y no a las secciones del recipiente.

El diseñador puede aplicar los multiplicadores del esfuerzo en la base de junta - por - junta.

(b) Factor de Calidad:

Un multiplicador del esfuerzo de 0.85 es impuesto en componentes sin costura que no cumplen con los requisitos de RT por "spot"(puntos) de UW-11(a) (5) (b).

Nota: La tubería o los tubos soldados tiene que cumplir con estos requisitos. Esto significa que un factor de calidad de 0.85 es impuesto además del 15% de reducción de esfuerzo que ha sido aplicado al esfuerzo admisible en la Sección II, Parte D.

(c) Incremento de Soldadura:

Una longitud de 50 ft. De soldadura en un recipiente, o en caso de recipientes múltiples duplicados, el incremento de soldadura puede incluir soldaduras en 2 o más recipientes.

Un incremento de soldadura es definido en UW-52 para especificar la longitud representada por un spot"(punto) radiografío. Un “spot"(punto radiográfico) tiene también que incluir el trabajo de cada soldador.

UW-11(a) Radiografia Total

Las siguientes soldaduras tienen que ser examinadas en su longitud total como se prescribe en UW-51.

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Todas las soldaduras a tope categorías A y D en secciones de recipientes o cabezas donde el diseño de la junta o de la parte este basado en la eficiencia de la junta permitida por UW-12(a)


Todas las juntas a tope en boquillas, cámaras de comunicación, etc. que excedan cualquiera de lo siguiente: 10” NPS o 1-1/8" en espesor.

Las soldaduras a tope categorías B o C que intercepten soldaduras a tope categoría A, o conecten secciones sin costura o cabezas deberán, como mínimo, cumplir los requisitos para RT “spot” (por puntos) por UW-52. Los "spot"(puntos) radiograficos requeridos por este párrafo deberán no ser usados para satisfacer los requisitos de RT por "spotn” (puntos) aplicados a otros incrementos de soldadura. Los recipientes que cumplen este criterio deberán ser estampados como RT 2.

Nota: Para satisfacer el criterio de estampado RT 1, las soldaduras arriba indicadas tendrán que ser radiografiadas en su longitud total.

UW-11(b) Radiografía por "Spot"(Puntos)

Las soldaduras en secciones de recipientes o cabezas donde el diseño este basado en la eficiencia de la junta permitida por UW-12(b) tiene que ser examinados por RT como es requerido por UW-52.La radiografía por “spot" (puntos) es una herramienta de inspección y un chequeo de control de calidadLa mínima extensión de un "spot" (punto) a examinar por RT debe incluir:

- Un "spot" (punto) de 6" por cada incremento de soldadura de 50 ft o fracción de este

- Cada incremento de 50 ft tiene que incluir un número suficiente de puntos para examinar el trabajo de cada soldador.

- La localización del "spot" (punto) a ser RT debe ser escogido por el I.A. (Inspector Autorizado)

- Las radiografías requeridas para satisfacer otras reglas no deben ser usadas para satisfacer estos requisitos.

Otras Excepciones para Boquillas

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Las boquillas de cualquier tamaño están exceptuadas de las radiografías por "spot" (puntos) requeridas en UW-11(a)(5)(b).


Consideraciones de Espesor

Diseño - Requisitos Generales

UG-16(b)

El mínimo espesor permitido para cuerpos y cabezas después de formar e indiferentemente de la forma de producto y material, deberá ser 1/16" excluyendo cualquier tolerancia para corrosión, con las siguientes excepciones:

1) No aplica para placas que transfieran calor de intercambiadores de calor tipo placa;2) No aplica para tubos de intercambiadores de calor tipo cuerpo y tubos, donde la

tubería o los tubos sean de 6" NPS y menores; 3) El mínimo espesor de cuerpos y cabezas de calderas de vapor sin fuego directo debe

ser l/4" excluyendo cualquier tolerancia para la corrosión;4) El mínimo espesor de cuerpos y cabezas usados en servicio de aire comprimido,

hechos en materiales de UCS etc. deberá ser 3/32" excluyendo cualquier tolerancia para la corrosión

UG-16(c)

La tolerancia por bajo espesor en la fabricación de láminas es el menor valor entre 0,01" o el 6% del espesor ordenado.

UG-l6 (d)

La tolerancia por bajo espesor en la tubería Si la tubería o los tubos son ordenados por su espesor de pared nominal, la tolerancia por bajo espesor en la fabricación deberá ser tenida en cuenta. Para la mayoría de la tubería la tolerancia por bajo espesor es del 12,5 %.Nota: El espesor calculado corregir multiplicando por 1,125 para obtener el espesor requerido.

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UG- l6 (e)

La tolerancia de corrosión en las Formulas de Diseño

Los valores en las ecuaciones están dimensionados en la condición corroída.


UG-23 Valores Máximos de Esfuerzo Admisible

UG-23(a)

Los valores de máximo esfuerzo admisible en tensión deberán ser tomados de las tablas apropiadas en la Sección II Parte D, (p.ej. Tabla 1A o Tabla 1B) a la temperatura que se espera sea mantenida en el metal bajo las condiciones de carga en consideración.

UG-23(b)

El esfuerzo máximo admisible longitudinal a compresión deberá ser el menor de: 1) el valor de esfuerzo máximo admisible en tensión 2) el valor del factor B como se determina en UG-23(b)(2)

UG-23(c)

El máximo esfuerzo general primario de membrana causado por la aplicación simultánea de las cargas de UG-22 deberá estar limitado a los valores de esfuerzo máximo admisible de la Sección II Parte D. Para las cargas que producen esfuerzos de flexión, el máximo esfuerzo de membrana primario mas el esfuerzo de flexión primario a través del espesor no deberá exceder 1 ½ veces el valor del máximo esfuerzo admisible de las Tablas de la Sección II Parte D.

UG-23(d)

Para la combinación de cargas por terremoto o viento con otra de las cargas de UG-22, el esfuerzo general de membrana primario deberá no exceder 1.2 veces el máximo esfuerzo admisible permitido en UG-23(a), (b), (c). ( Presión + carga por terremoto < 1,2 S permisible)

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Esfuerzo Circunferencial versus Esfuerzo Longitudinal

Para un cuerpo cilíndrico de pared - delgada, sin costura, el esfuerzo circunferencial será aproximadamente el doble del esfuerzo longitudinal. En la mayoría de casos, las formulas para el espesor requerido basadas en los esfuerzos circunferenciales de UG-27 gobernaran sobre las formulas para el espesor requerido basadas en los esfuerzos longitudinales. Existen, sin embargo, unos pocos casos en los cuales esta regla general no se mantiene (p.ej. Los recipientes verticales muy altos bajo cargas de viento y terremoto, o los recipientes horizontales muy largos soportados en silletas).


Se debe notar que si existen juntas longitudinales y circunferenciales en un cuerpo cilíndrico, las formulas de UG-27 que están basadas en el esfuerzo longitudinal gobernaran únicamente cuando la eficiencia de la junta circunferencial sea menor que la mitad de la eficiencia de la junta longitudinal, o cuando el efecto de las cargas suplementarias (UG-22) cause flexión longitudinal o tensión en conjunción con la presión interna que sé esta investigando

Formulas Para Cuerpos Bajo Presión Interna

Cuerpos Cilíndricos (cuerpos de pared delgada)

Esfuerzo Circunferencial (Juntas Longitudinales)

Espesor requerido Presión max. permitida Referencia Código

En terminos del radio interior ( t < R / 2 o P < 0.385 S E )

t = P*R /(S*E – 0,6*P) P = S*E*t /(R+0,6*t) UG - 27( c)(1)

En terminos del radio exterior ( t < R / 2 o P < 0.385 S E)

t = P*Ro /(S*E+0,4*P) P = S*E*t /(Ro - 0,4*t) 1 - 1(a)(1)

Esfuerzo Longitudinal ( Juntas Circunferenciales)

En terminos del radio interior ( t < R / 2 o P < 1,25 S E )

t = P*R /(2*S*E+0,4*P) P = 2*S*E*t /(R - 0,4*t) UG - 27( c)(2)

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Cuerpos Hechos a Partir de Tubería UG-31

UG-31 permite la fabricación de cuerpos a partir de tubería. Este simplemente establece que la formula en UG-27 deberá ser usada para calcular el espesor. Mucho cuidado debe ser tenido en cuenta en las comunicaciones entre el diseñador y el comprador cuando se ordene tubería tal como el SA-53-B. Este material puede venir en dos formas sin costura y ERW, y por lo tanto, tiene dos valores de esfuerzo diferentes


Cuerpos Esféricos (cotenedor ideal)

Espesor requerido Presión mas. permitida Refarencia Código

En terminos del radio interior

t = P*R /(2*S*E – 0,2*P) P = 2*S*E*t /(R+0,2*t) UG - 27(d)

En terminos del radio exterior

t = P*Ro /(2*S*E+0,8*P) P =2*S*E*t /(Ro - 0,8*t) 1 - 1(a)(2)

Nomenclatura

t - Espesor mínimo requerido del cuerpo, pulgadas.

P - Presión de Diseño Interna, psi

R Radio interior

Ro - Radio exterior

S - Valor del máximo esfuerzo admisible, psi (ver los valores de esfuerzo en la tabla aplicable en la Subsección C)

E - Eficiencia de la junta, o la eficiencia de junta apropiada en un cuerpo cilíndrico o esférico, o la eficiencia de ligamentos entre aberturas, el que sea menor.

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Cuando se está calculando el espesor requerido del cuerpo el radio interior es medido excluyendo la tolerancia para corrosión.


Efecto de la Cabeza Estática del Fluido en la Presión de Diseño del Recipiente

UG-22 Carga

- La consideración principal en recipientes verticales altos o de baja presión de diseño

- La presión debida ala cabeza estática del fluido se combina con la presión interna.

- Si la cabeza estática del fluido existe durante la prueba hidrostática únicamente, algunas opciones se deben considerar:

1) prueba el recipiente en posición horizontal para minimizar la cabeza estática.

2) reemplace la prueba hidrostática por una prueba neumática

3) Revise los esfuerzos adicionales debido a la cabeza estática durante la prueba; No existe un limite superior en la presión de prueba (UG-99(d)), sin embargo si el recipiente es sujeto a deformación permanente visible, el Inspector tiene el derecho de rechazar el recipiente.

La presión adicional debida a la cabeza estática es:

P (f) = H * g

Donde: P (f) = La presión interna adicional debida a la cabeza estática del fluido H = Altura del punto superior de la columna de fluido g = Densidad del fluido

Para calculo de espesores Ptotal = Pdiseño + P (f)

Ecuaciones para Cuerpos Cilíndricos Gruesos

Apéndice 1 - Formulas de Diseño Suplementarias

En el caso donde t > R/2 o P > 0.385 S E

Esfuerzo Circunferencial (Juntas Longitudinales), (1-2)

1. Donde " P " es conocido y t es deseado:

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Ro RCA

t = R * (Z1/2 - 1 ) = Ro * (Z1/2 - 1 ) / Z1/2 Donde Z = ( S*E + P )/( S*E - P )

2. Donde " t " es conocido y P es deseado:

P = S * E *(Z – 1) / (Z +1)

Donde Z = ((R+t)/R)2 = (Ro/R)2 = (Ro /( Ro – t ))2


Ejemplo 12 - Cuerpo Cilíndrico Bajo Presión Interna

Figura 9 Recipiente para Cálculo de cuerpo a Presión Interna

Calcule el Espesor Requerido del Cuerpo Para Presión Interna

Parámetros de DiseñoP = 150 psi Presión de Diseño

T = 800 oF Temperatura de Diseño

Tolerancia de Corrosión Ninguna

Material del CuerpoS= 12000 psi

SA 515-70 Lamina de Acero al CarbónTodos los esfuerzos provienen de la Sección II Parte D, Tabla 1A para SA 515 Gr 70, a 800 oF

Ec = 1,0 Radiografía Total en las Juntas LongitudinalesEfic. De la Junta = 1.0 para Juntas Tipo 1

El = 1,0 Radiografía Total en las Juntas CircunferencialesEfic. De la Junta = 1.0 para Juntas Tipo 1

ID1 = 96,0 in Diámetro Interior del Cuerpo 1

ID2 = 72,0 in Diámetro Interior del Cuerpo 2

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50´

40”

50´

Cuerpo 1

Cuerpo 2

g = 57 lb/ft3 Densidad del Fluido Contenido

H1 = 50 ft Altura del Cuerpo 1

H2 = 50,0 ft Altura del Cuerpo 2

Hc = 40,0 ft Altura de la Reducción Cónica


Calculando el Espesor Requerido de los Anillos del Cuerpo Debido a la Presión de Diseño

Cuerpo 1 R = ID1/ 2 R = 48 in

UG - 27(c) (1) Espesor requerido basado en los esfuerzos circunferenciales

t = P*R / S*Ec – 0,6*P = 150*48 / 12000*1,0 – 0,6*150 = 0,605 in

UG - 27(c) (2) Espesor Requerido Basado en los esfuerzos Longitudinales

t = P*R / 2*S*El + 0,4*P = 150*48 / 2*12000*1,0 + 0,4*150 = 0,299 in

El espesor requerido basado en los esfuerzos longitudinales es aproximadamente 1/2 que el requerido por los esfuerzos circunferenciales

Cuerpo 2 R = ID2 / 2 R = 36 in

UG - 27(c) (1) Espesor basado en los esfuerzos circunferenciales

t = P*R / S*Ec – 0,6*P = 150*36 / 12000*1,0 – 0,6*150 = 0,453 in

UG - 27(c) (2) Espesor basado en los esfuerzos longitudinales

t = P*R / 2*S*El + 0,4*P = 150*36 / 2*12000*1,0 + 0,4*150 = 0,224 in

Repitiendo los Cálculos Incluyendo el Efecto de la Cabeza Estática

Cuerpo 1 Altura del Fluido = 50 ft

Pf = H1*g / 144 (in2/ft2) = 50*57 / 144 = 19,792 psi (lb / in2)

El Espesor requerido basado en los esfuerzos circunferenciales es

t = ((P+Pf)*ID1/2) / ((S*Ec–0,6*(P+Pf)) = ((150+19,8)*48)/((12000*1,0–0,6*(150+19,8)= 0,684in

Cuerpo 2 Altura del Fluido = 50' + 40" + 50'

H = H1 + H2 + 40 / 12 = 50+50+40/12 = 103, 33 ft

Pf = H*g / 144 ( in2/ft2 ) = 103,33*57 / 144 = 40, 9 psi

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t =((P+Pf)*ID2/2) /((S*Ec–0,6*(P+Pf)) = ((150+40,9)*36)/((12000*1,0–0,6*(150+40,9)= 0,578in Resumen de los Espesores Requeridos para los Cuerpos 1 y 2

Esfuerzos circunferenciales Esfuerzos longitudin.Presión P = 150 psi P + Pf

Cuerpo 1 0,605 in 0,684 in 0,299 inCuerpo 2 0,453 in 0,578 in 0,224 in

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diseÑo recipientes a presion

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