Download - Recipientes a Presion
Recipientes Recipientes sometidos a Presisometidos a Presióónn
Ing. NIng. Nééstor Anstor Anííbal Garcbal GarcííaaUniversidad TecnolUniversidad Tecnolóógica Nacionalgica Nacional
Facultad Regional ConcepciFacultad Regional Concepcióón del Uruguayn del [email protected]
ELEMENTOS DE MAQUINAS - RECIPIENTES A PRESION 2
INTRODUCCIONINTRODUCCIONEn todo tipo de industrias nos encontramos con En todo tipo de industrias nos encontramos con algalgúún tipo de recipiente sometido a presin tipo de recipiente sometido a presióón.n.Podemos clasificar a los recipientes de la Podemos clasificar a los recipientes de la siguiente manera:siguiente manera:
Recipientes a presión
Recipientes a presión interna
Con fuego
Sin fuego
Recipientes a presión externa
De paredes delgadas
De paredes gruesas
Calderas
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INTRODUCCIONINTRODUCCIONApelando a la geometrApelando a la geometríía podemos clasificarlosa podemos clasificarlosde la siguiente manera:de la siguiente manera:
Recipientes
Recipientes cilíndricos
Verticales
Recipientes esféricos
Horizontales
Para el disePara el diseñño de un recipiente a presio de un recipiente a presióón se debe n se debe conocer: la temperatura y presiconocer: la temperatura y presióón de trabajo, el n de trabajo, el fluido contenido, el ambiente externo, fluido contenido, el ambiente externo, etcetc
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INTRODUCCIONINTRODUCCIONHay distintas normas para el diseño y fabricación de recipientes a presiónEl código A.S.M.E. en su sección VIII, división 1, abarca todo lo relacionado con la Ingeniería,Fabricación y Control de Calidad, de Recipientes sometidos a PresiónTensión Admisible: A temperaturas por debajo del rango de “creep” (deslizamiento), la máxima tensión admisible para materiales ferrosos es la menor de las siguientes:
fc) 62,5% σ a la temp. ambiente fd) 62,5% σ a la temp. de trabajoRa) 25% σ a la temp. ambiente Rb) 25% σ a la temp. de trabajo
En general, a menos de 340ºC a=b y siempre < c ó d
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A: Envolvente (Chapa o caño)C: Conexiones (Cupla-Niple-Niple y Brida)D: SoportesSoldaduras: Características físicas y químicas similares a las del recipiente, nunca inferiores
PARTES DEL RECIPIENTEPARTES DEL RECIPIENTE
AB
D D
CC
C
C
P: Presión interna o externaT: Temperatura
B: Cabezales (Chapa)
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RECIPIENTES A PRESION INTERNARECIPIENTES A PRESION INTERNA
Envolventes CilíndricasSL: Tensión longitudinalSC: Tensión circunferencialSR: Tensión Radial
Para espesores relativamente chicos: SL y SC son uniformes a través del espesor de la pared y se SR desprecia
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RECIPIENTES A PRESION INTERNARECIPIENTES A PRESION INTERNAEnvolventes CilíndricasTensión circunferencial
(1) t
PR2Lt
2PRLAFS
2RLPPAF
c
P
===
==
Tensión longitudinal
(2) 2t
PRRt2RP
AFS
PRPAF2
L
2P
===
==
ππ
π
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RECIPIENTES A PRESION INTERNARECIPIENTES A PRESION INTERNAEnvolventes CilíndricasEspesores
Tomaremos en cuenta sólo la Tensión Circunferencialya que:
Lc 2SS ≅
S.E 0.385P0.5Rt Para
≤≤
Soldadura la de Eficiencia :E AdmisibleTensión :S :Donde
(3) 6.0
tPSE
PR−
= interior Radio :R Diseño de Presión :P :Donde
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RECIPIENTES A PRESION INTERNARECIPIENTES A PRESION INTERNAEnvolventes CilíndricasEspesores
También podemos expresar la ecuación (3) en función del Radio Exterior (R0)
(5) C 6.0
t +−
=PSE
PR
(4) 4.0
t 0
PSEPR+
=
Y agregando un sobre-espesor de seguridad para la corrosión C, la (3) y la (4), quedan:
(6) C4.0
t 0 ++
=PSE
PR
Para casos particulares, se fijan espesores mínimos
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RECIPIENTES A PRESION INTERNARECIPIENTES A PRESION INTERNACabezales - EspesoresCabezales Semiesféricos
Cabezal del exterior Radio :L Cabezal del interior Radio :L :donde
0.665SEP y 0.356Lt Para
0
≤≤
C2.02
t +−
=PSE
PLc
C8.02
t 0 ++
=PSE
PLc
L0
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RECIPIENTES A PRESION INTERNARECIPIENTES A PRESION INTERNACabezales - EspesoresCabezales Semielípticos
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+=
2
h2D2
61k :donde
C2.02
t +−
=PSE
PDkc
C)1.0(22
t 0 +−+
=kPSEkPD
c
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RECIPIENTES A PRESION INTERNARECIPIENTES A PRESION INTERNACabezales - EspesoresCabezales Toriesféricos
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
rL3
41M :donde
CP2.0SE2
PLMtc +−
=
C)2.0M(P2SE2
MPLt 0c +
−+=
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RECIPIENTES A PRESION INTERNARECIPIENTES A PRESION INTERNACabezales - EspesoresCabezales Cónicos
30º :donde ≤α
( ) CP6.0SECos2
PDtc +−α
=
( ) CP4.0SECos2
PDt 0c +
+α=
Es necesario colocar refuerzos en la transición de la unión envolvente-cono
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RECIPIENTES A PRESION INTERNARECIPIENTES A PRESION INTERNACabezales - EspesoresCabezales ToricónicosSe utilizan cuandoTambién cuando yno quieren colocarse refuerzos.El espesor en el Sector Tórico, sedetermina por la fórmula para cabe-zales toriesféricos, reemplazando L por:
α=
Cos2DL 1
El espesor de la parte Cónica será determinado por la fórmula del Cabezal Cónico, utilizando D1 en lugar de D
30º>α30º≤α
( )α−−= Cos1r2DD donde 1
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RECIPIENTES A PRESION INTERNARECIPIENTES A PRESION INTERNACabezales - EspesoresCabezales Planos
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RECIPIENTES A PRESION INTERNARECIPIENTES A PRESION INTERNACabezales - EspesoresCabezales Planos
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RECIPIENTES A PRESION INTERNARECIPIENTES A PRESION INTERNACabezales - EspesoresCabezales Bridados
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RECIPIENTES A PRESION INTERNARECIPIENTES A PRESION INTERNACabezales - EspesoresCabezales Planos y Bridados
Los cabezales planos y las bridas se determinan también por los lineamientos del Código ASME Sección VIII, División 1.Como también las soldaduras de los cabezales a las bridas.
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RECIPIENTES A PRESIONRECIPIENTES A PRESIONConexiones
En general, el espesor requerido para las conexiones, no será menor al espesor de cálculo de la envolvente (o cabezal), sobre la que esta fijada, tomando para el cálculo una eficiencia E=1, más el sobre-espesor por corrosiónComo excepción a la regla anterior, están los cuellos de las Entradas de HombreTipo de Conexiones:
Roscadas: Sólo son aceptadas las cuplas (Rosca hembra)Niples: Es un tubo liso (pueden vincularse a otro accesorio, como ser un codo, etc.)Bridada: Es un tubo liso al que se le suelda una brida
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RECIPIENTES A PRESIONRECIPIENTES A PRESIONConexiones
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RECIPIENTES A PRESIONRECIPIENTES A PRESIONConexiones
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RECIPIENTES A PRESIONRECIPIENTES A PRESIONConexiones
Los accesorios de las conexiones NO SE CALCULAN, SE SELECCIONAN, ya que la Norma A.N.S.I., es aceptada por A.S.M.E.
Por Ejemplo:
ANSI B16.5: Bridas forjadas para cañeríasANSI B16.9: Codos, Te, Reducciones, etc. para soldar a tope
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RECIPIENTES A PRESIONRECIPIENTES A PRESIONConexiones
Cuando hacemos un orificio en la envolvente (o los casquetes), debilitamos la misma.Además se producen concentraciones de tensiones a los costados del orificio.Se debe reemplazar el área del orificio (que fue quitada), por la que aporta un refuerzo, que por lo general se hace del mismo espesor que la envolvente (o cabezal) y de un diámetro D=2dTodas las aberturas deben reforzarse, con las siguientes excepciones:
Conexiones de caños de 3” y menores en recipientes de hasta t=3/8”Conexiones de caños de 2” y menores en recipientes de t>3/8”
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RECIPIENTES A PRESIONRECIPIENTES A PRESIONConexiones
En general, el área del refuerzo debe ser, como mínimo:r
r
A=d.t .Fdonde: d: diámetro de la conexión t : espesor requerido de la envolvente para E=1 F: factor de corrección para compensar las variaciones de las tensiones en los diferentes planos
X X
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RECIPIENTES A PRESIONRECIPIENTES A PRESIONEficiencia de las juntas soldadasCategoría de las juntas soldadas
Categoría A: - Costuras longitudinales (envolventes, conexiones, cámaras de comunicación)
- Costuras en cabezales y transiciones- Costura circunferencial de unión de envolvente y cabezal
semiesférico
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RECIPIENTES A PRESIONRECIPIENTES A PRESIONEficiencia de las juntas soldadasCategoría de las juntas soldadas
Categoría B: - Costuras circunferenciales de unión de virolas entre si, virola-cabezal (excepto el semiesférico)
Categoría C: - Uniones envolventes, cabezales o transiciones con bridas, o placas planas y placas tubulares
Categoría D: - Unión de conexiones a cabezales, envolventes, placas planas y placas tubulares
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RECIPIENTES A PRESIONRECIPIENTES A PRESIONEficiencia de las juntas soldadasRadiografiado
Se utiliza para el detectado de fallas en soldaduras a tope, o sea las soldaduras de Categorías A y BLos tipos de fallas detectadas son:
Inclusión de porosInclusión de escoriasFalta de penetraciónFalta de fusiónFisuras
Si las juntas son radiografiadas o no, influye sobre la eficiencia de la soldadura E
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RECIPIENTES A PRESIONRECIPIENTES A PRESIONEficiencia de las juntas soldadas
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RECIPIENTES A PRESIONRECIPIENTES A PRESIONEficiencia de las juntas soldadasRadiografiado
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RECIPIENTES A PRESION EXTERIORRECIPIENTES A PRESION EXTERIORLos casos más comunes se dan en recipientes sometidos a vacío (presión negativa) y en recipientes con camisas de vapor
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RECIPIENTES A PRESION EXTERIORRECIPIENTES A PRESION EXTERIORSe utilizan dos factores de cálculo:
Factor A: Depende de la relación D0/t y L/D0
Factor B: Depende del Factor A y del módulo de elasticidad del material (E)
Se obtienen de gráficas hechas para cada materialL: Largo total de diseño, que se toma como el mayor valor de:
La distancia entre líneas de tangente de 2 cabezales, sumando 1/3 de la profundidad del cabezal por cada lado.La mayor distancia entre 2 anillos de rigidezLa distancia del centro del 1er. Anillo de rigidez a la línea tangente del cabezal más 1/3 de su profundidad
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RECIPIENTES A PRESION EXTERIORRECIPIENTES A PRESION EXTERIOR
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RECIPIENTES A PRESION EXTERIORRECIPIENTES A PRESION EXTERIORFACTOR A
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RECIPIENTES A PRESION EXTERIORRECIPIENTES A PRESION EXTERIORFACTOR A
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RECIPIENTES A PRESION EXTERIORRECIPIENTES A PRESION EXTERIORFACTOR B
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RECIPIENTES A PRESION EXTERIORRECIPIENTES A PRESION EXTERIORFACTOR B
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RECIPIENTES A PRESION EXTERIORRECIPIENTES A PRESION EXTERIORImportante:1. Se debe calcular la envolvente para saber si soporta la
presión externa de diseño para una distribución dada de refuerzos
2. Se debe verificar la rigidez de los anillos de refuerzo, que deben cumplir 2 condiciones: (Ver Guía de Cálculo)
Donde: JS: Momento de inercia del refuerzo sin considerar la envolvente como parte del refuerzo
J’S: Momento de inercia del refuerzo considerando el aporte de un sector de la envolvente como formando parte del refuerzo
12
S S
S S
J IJ I
→ ≥′ ′→ ≥
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RECIPIENTES A PRESION EXTERIORRECIPIENTES A PRESION EXTERIORImportante:
La longitud de envolvente que se considera es:
IS e IS’: son los momentos de inercia necesarios que se obtienen de hojas de cálculos siguientes
01.1 D t
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RECIPIENTES A PRESION EXTERIORRECIPIENTES A PRESION EXTERIOR
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RECIPIENTES A PRESION EXTERIORRECIPIENTES A PRESION EXTERIORCABEZALES A PRESION EXTERNA:A. Para cabezales semielípticos y toriesféricos, se lo calcula
a presión interna tomando:Pint =1.67 P y E=1
Lo anterior me da un espesor t1B. Para cabezales semiesféricos, semielípticos y
toriesféricos, hay un procedimiento (ver hoja de cálculo siguiente), que describimos luego:
1. Proponemos un espesor t2.2. Determinamos el Factor A, mediante la ecuación:
3. Con el Factor A ingresamos al ábaco que relaciona el Factor A, con el Factor B, y tenemos 2 posibilidades:
2
0.125AR t
=
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RECIPIENTES A PRESION EXTERIORRECIPIENTES A PRESION EXTERIORCABEZALES A PRESION EXTERNA:
1. Cortar la curva y obtener un valor de Factor B. Para este caso la presión admisible del casquete viene determinada por:
2. Quedar a la izquierda de la curva y por lo tanto no poder encontrar un valor para el Factor B. En este caso la presión admisible del casquete se determina por:
4. Verificamos que , si verifica por exceso, proponer un valor menor para t2, si no verifica, intentar con un valor mayor de t2.
aP P≥
2a
BPR t
=
( )22
0.0625a
EPR t
=
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RECIPIENTES A PRESION EXTERIORRECIPIENTES A PRESION EXTERIORCABEZALES A PRESION EXTERNA:
Para cabezales Semiesféricos t = t2
Para cabezales Semielípticos y Toriesféricos:Tenemos un valor de t1, obtenido en el punto A, yUn valor de t2, obtenido en el punto B.
Se debe tomar como espesor, el máximo de los dos.
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RECIPIENTES A PRESION EXTERIORRECIPIENTES A PRESION EXTERIOR