INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD

AZCAPOTZALCO

TESIS COLECTIVA

DISEÑO Y ANÁLISIS DE UN RECIPIENTE A PRESIÓN HORIZONTAL CON UNA CAPACIDAD DE 20MIL LITROS PARA ALMACENAR CLORO

PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO MECÁNICO

PRESENTAN:

CASTRO GUTIÉRREZ ALBERTO ALFONSO SERRANO SÁNCHEZ RAÚL

ASESORES: M. EN C. RICARDO SÁNCHEZ MARTÍNEZ ING. FELIPE DE JESÚS GARCÍA MONROY

AZCAPOTZALCO, CIUDAD DE MÉXICO. MAYO DEL 2017

ii

iii

iv

A mis padres que con tanto esfuerzo,

dedicación y ejemplos me guiaron y

apoyaron para poder lograr lo que hoy

soy. Cada logro seguirá teniendo su

huella con cada valor y principio que me

han inculcado.

-Alberto Alfonso Castro Gutiérrez

Para ti, mamá. Que eres un símbolo de

admiración y fortaleza en mi camino. Por

toda una vida de apoyo incondicional.

Gracias.

-Raúl Serrano Sánchez

v

OBJETIVO:

Establecer un diseño de un recipiente a presión, con los aditamentos adecuados para el

almacenamiento de cloro líquido de 20,000 litros, para procesos industriales, basando en la

norma ASME.

vi

JUSTIFICACIÓN

Actualmente, los recipientes a presión son muy útiles y necesarios en la ejecución de

diversos procesos industriales alrededor del mundo (de sanidad, químicos, agricultura,

transporte, etc.), sin embargo en México no existen empresas especializadas para el

diseño, análisis y solución de problemas con los recipientes a presión y en

consecuencia, las entidades que necesitan de esta labor para la realización de sus

actividades recurren a organizaciones extranjeras para dar solución a este problema.

Por otro lado, el desarrollo industrial de nuestro país ha hecho necesario el impulso del

diseño y manufactura de tecnología nacional. Las importaciones de maquinaria y

dispositivos necesarios para los procesos industriales cada vez se encarecen más y en

ocasiones se tornan bastante tardadas.

La intención del presente trabajo es la de demostrar que en nuestro país existe el

conocimiento y las habilidades necesaria para este tipo de análisis, que el ingeniero

mecánico de profesión puede dar solución para este y otros problemas que competen a

su área de conocimiento. No es necesario buscar fuera del país; solo es cuestión de

impulsar y dar apoyo al talento nacional para impulsar el desarrollo del diseño

mecánico.

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Tabla de Contenidos

Capítulo I: GENERALIDADES…………………………………………………………..1 1.1 Definición de recipiente a presión ............................................................................. 2

1.2 Tipos de recipientes ................................................................................................... 2 1.2.1 Tanques abiertos ............................................................................................... 3 1.2.2 Tanques cerrados .............................................................................................. 4 1.2.3 Tanques cilíndricos de fondo plano .................................................................. 4 1.2.4 Tanques cilíndricos horizontales y verticales con cabezas preformadas .......... 4

1.2.5 Recipientes esféricos o esféricos modificados ................................................. 5 1.2.6 Recipientes de almacenamiento........................................................................ 5 1.3 Clasificación del código A.S.M.E. ............................................................................ 6

1.3.1 Código A.S.M.E sección VIII división 1.......................................................... 6

1.3.2 Limitación de la división 1. .............................................................................. 7 1.4 El cloro: Sus propiedades, riesgos e impacto ambiental . ......................................... 7

1.4.1 Terminología. ................................................................................................... 8 1.4.2 El cloro como desinfectante ............................................................................. 8 1.4.3 Propiedades químicas y físicas ......................................................................... 8

1.4.4 Flamabilidad. .................................................................................................... 8 1.4.5 Reacciones químicas......................................................................................... 9

1.4.6 Propiedades físicas ........................................................................................... 9

1.4.7 Riesgos para la salud ...................................................................................... 10

1.4.8 Otros riesgos. .................................................................................................. 10

Capítulo II: ANALISIS DEL DISEÑO DE INGENIERÍA............................................... 12 2.1 Presión interna ......................................................................................................... 13

2.1.1 Presión de operación………………………………………………………...13

2.1.2 Presión de diseño............................................................................................13

2.2 Margen por corrosión .............................................................................................. 13 2.3 Soldadura en juntas del recipiente sometido a presión ........................................... 15 2.4 Tamaño óptimo del recipiente ................................................................................. 17 2.5 Selección de cabezas ............................................................................................... 19

2.5.1 Cálculo de espesor de pared requerido y presión máxima de trabajo permitida para las cabezas ................................................................ 20 2.6 Estimación de peso del casco .................................................................................. 21

2.7 Presión externa ........................................................................................................ 21 2.8 Estimación de peso de cabezas ................................................................................ 24 2.9 Estimación del peso total del recipiente .................................................................. 24 2.10 Diseño de silletas o apoyos .................................................................................... 25

2.11 Calculo de ssfuerzos en silletas ............................................................................. 29 2.11.1 Esfuerzos debidos a presion interna ........................................................... 30

2.11.1.1 Esfuerzo longitudinal……………………………………………30 2.11.1.2 Esfuerzo circunferencial ............................................................... 30

viii

2.11.2 Esfuerzo a flexión longitudinal .................................................................. 31 2.11.2.1 En Las silletas a tensión................................................................. 31

2.11.2.2 En la mitad del claro a tensión....................................................... 31 2.11.3 Esfuerzo cortante tangencial ......................................................................... 32 2.11.3.1 En el casco ..................................................................................... 32 2.11.4 Esfuerzo circunferencial ............................................................................... 32 2.11.4.1 En el cuerno de la silleta ................................................................. 32

2.11.4.2 En la parte inferior de la silleta ....................................................... 34 2.12 Cálculo de orejas de izaje. ..................................................................................... 34 2.13 Boquillas en recipientes a presión. ........................................................................ 36 2.13.1 Selección de bridas para boquillas ............................................................. 36 2.13.2 Tubos de cédula . ........................................................................................ 37

2.14 Registro de hombre ................................................................................................ 38 2.14.1 Cáculo de la brida para el registro de hombre ............................................ 39 2.14.2 Cálculo de espesor de la tapa plana. ........................................................... 43

2.15 Boquilla de 5 pulgadas (válvulas de llenado y drenaje) ........................................ 44

2.16 Accesorios del recipiente ....................................................................................... 47 2.16.1 Manómetro De Wit ....................................................................................... 47

2.16.2 Termómetro De Wit...................................................................................... 47 2.16.3 Válvulas de seguridad (o alivio) ................................................................... 48

2.16.4 Indicador de nivel ......................................................................................... 48

Capítulo III: PROCESOS DE SOLDADURA Y PRUEBAS DE

INGENIERÍA...………………………………………………………………………….49

3.1 Soldabilidad ............................................................................................................. 51 3.2 Pintura en el recipiente a presión ............................................................................ 58

3.2.1 Preparación e n la superficie ........................................................................... 59 3.2.2 Concideración económica............................................................................... 59 3.2.3 Selección de un sistema de pintura ................................................................ 59

3.2.4 Condiciones especiales ................................................................................... 59 3.2.5 Temperaturas altas y tipo de pintura a utilizar ............................................... 59

3.2.6 Cantidad de pintura necesaria ......................................................................... 59 3.3 Pruebas en recipientes a presión .............................................................................. 60 3.3.1 Prueba hidrostática ......................................................................................... 60

3.3.2 Prueba neumática ............................................................................................ 60

3.3.3 Prueba de elasticidad ...................................................................................... 61

Capítulo IV: PLANOS DE INGENIERÍA FINALES ....................................................... 62

Capítulo V: ANÁLISIS Y EVALUACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL MÉTODO

DIGITAL ........................................................................................................................... 71 5.1 Análisis por elemento finito .................................................................................... 72

5.1.1 Simulación de los elementos del recipiente a presión sometidos a

esfuerzos…………………...……………………………………………………...72

ix

5.2 Conclusiones ............................................................................................................ 80

Bibliografía………………………………………………………………………………...82

Cibergrafía…………………………………………………………………………………82

Anexos……………………………………………………………………………………..84

Anexo A: Tipos de acero y sus propiedades mecánicas…………………………...84

Anexo B: Catálogo de manómetros metrón…………………………………….....85

Anexo C: Modelos de bridas (registro de hombre) y sus dimensiones……………86

Anexo D: Sensor de nivel para tanque a presión…………………………………..87

Anexo E: Termómetros bimetálicos De wit y sus características………………....88

Anexo F: Empaque de asbesto, sus dimensiones y propiedades……………….….90

Anexo G: Tornillería de acero 316 inoxidable………………………………….…91

Anexo H: Catálogo de válvulas de bola Nibco……………………………………92

Anexo I: Catálogo de tubería ced40……………………………………………….92

Anexo J: Electrodos recubiertos 7018 y sus características……………………….93

Anexo K: Pintura pimex estructural y sus características…………………………94

Anexo L: Dimensiones estándar de silletas en base al diámetro del recipiente…...95

Anexo M: Tabla para obtener los valores de K para distintos ángulos de contacto.96

Glosario……………………………………………………………………………………97

x

Lista de figuras

Figura 1.1: Recipiente a presión.. ....................................................................................... 2

Figura 1.2: Tanques industriales de concreto abiertos.. ..................................................... 3

Figura 1.3: Tanques cilíndricos de fondo plano para almacenamiento de agua.. ............... 4

Figura 1.4: Recipientes cilíndricos para gas natural licuado.. ............................................ 5

Figura 1.5: Tanque de almacenamiento de agua potable.. .................................................. 6

Figura 2.1: Determinación del tamaño óptimo del recipiente.. ........................................ 17

Figura 2.2: Fórmula para determinar el espesor de pared del casco................................. 18

Figura 2.3: Cabeza hemiesférica.. .................................................................................... 19

Figura 2.4: Válores del factor “A” que se usan en las foórmulas para recipientes sometidos a

presión externa.. ................................................................................................................. 22

Figura 2.5:Valores del factor “B” que se usan en las fórmulas para recipientes sometidos a

presion externa. .................................................................................................................. 23

Figura 2.6: Esquema general de las dimensiones del recipiente.. .................................... 26

Figura 2.7: Esquema general de las dimensiones de la silleta o apoyo.. .......................... 26

Figura 2.8: Esquema de las cotas necesarias para obtener los esfuerzos en el recipiente.28

Figura 2.9: Valores de la constante K6.. ........................................................................... 33

Figura 2.10:Valvula de seguridad.. .................................................................................... 48

Figura 3.1: Símbolos básicos para a representación gráfica de soldaduras.. .................... 51

Figura 3.2: Continuación de los símbolos básicos para a representación gráfica de……...

soldaduras .. ....................................................................................................................... 52

Figura 3.3: Símbolos básicos de soldadura de arco y gas.. ............................................... 53

Figura 3.4: Soldadura en boquillas.. .................................................................................. 54

Figura 3.5: Soldadura en placas.. ....................................................................................... 55

Figura 3.6: Soldadura de union tapas y cuerpo.. ............................................................... 56

Figura 3.7: Soldadura en los soportes .. ............................................................................. 57

Figura 3.8: Soldadura en las orejas de izaje.. .................................................................... 58

Figura 5.1: Presión aplicada sobre silletas ........................................................................ 73

Figura 5.2: Deformacion total sobre silletas .. ................................................................... 73

Figura 5.3: Esfuerzo de Von Misses en las silletas .. ........................................................ 74

Figura 5.4: Esfuerzo cortante máximo sobre las silletas .. ................................................ 74

Figura 5.5: Presión interna en el recipiente .. .................................................................... 75

Figura 5.6: Arreglo de malla para el recipiente a presión.. ............................................... 75

Figura 5.7: Esfuerzo de Von Mises en el recipiente a presión.. ........................................ 76

Figura 5.8: Esfuerzo principal en el recipiente a presión.. ................................................ 76

Figura 5.9: Esfuerzo cortante máximo en el recipiente a presión.. ................................... 77

Figura 5.10: Deformación total en el recipiente a presión.. .............................................. 77

Figura 5.11: Esfuerzo de Von Mises en las orejas de izaje.. ............................................. 78

Figura 5.12: Esfuerzo principal en las orejas de izaje.. ..................................................... 78

Figura 5.13: Deformación total en las orejas de izaje.. ..................................................... 79

Figura 5.14: Vista frontal de la deformación total en las orejas de izaje.. ........................ 79

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Lista de tablas

Tabla 2.1: Resistencia química de los materiales.. ............................................................ 14

Tabla 2 .2: Tipos de juntas soldadas.. ................................................................................ 15

Tabla 2.3: Diseño de juntas soldadas.. .............................................................................. 16

Tabla 2.4: Valores de la constante K11.. ........................................................................... 27

Tabla 2.5: Fórmulas necesarias para calcular esfuerzos en silletas y recipientes.. ............ 29

Tabla 2.6: Valores de las distintas K utilizadas para el cálculo de esfuerzos.................... 30

Tabla 2.7: Orejas de izaje propuestas para distintos pesos del recipiente.. ....................... 35

Tabla 2.8: Tubos de cédula.. .............................................................................................. 37

Tabla 2.9: Tipos de bridas.. ............................................................................................... 38

Tabla 6.1: Registro de esfuerzos calculados y esfuerzos obtenidos del análisis por elemento finito

en el recipiente a presión.. ................................................................................................. 80

Tabla 6.2: Registro de esfuerzos calculados y esfuerzos obtenidos del análisis por elemento finito

en las silletas.. .................................................................................................................... 80

1

CAPITULO I

Generalidades

En este capítulo se presenta una breve descripción de los tipos de recipientes a presión y su aplicación más común, así como la sección del código ASME que hace referencia a la construcción de recipientes a presión, junto con las propiedades, riesgos e impacto del cloro.

2

1.1 Definición de recipiente a presión Un recipiente a presión es un contenedor estanco diseñado para contener fluidos, como gases o líquidos a presiones manométricas, ya sea a presión interna o vacío, sin importar la forma o dimensiones que el recipiente tenga.

Figura 1.1 Recipiente a presión http://minpromex.com/producto/recipientes-a-presion/ (02-02-17)

1.2 Tipos de recipientes Existen numerosos tipos de recipientes que son utilizados en las plantas industriales de procesos. Los diferentes tipos de recipientes existentes, se clasifican de la siguiente manera: Generalmente, el primer paso en el diseño de cualquier recipiente es la selección del más apropiado para el servicio particular en cuestión. Los principales factores en esta selección son: la función y localización del recipiente, la naturaleza del fluido, la temperatura y presión de operación, y el volumen necesario a almacenar o la capacidad

Esférico Vertical

Horizontal

RECIPIENTES

A PRESIÓN

Por su uso

Por su forma Cilíndrico

s

De almacenamiento

De proceso

3

para procesar. Se pueden clasificar de acuerdo al tipo de servicio que prestan, la temperatura y presión de servicio, los materiales de construcción o la geometría del recipiente en los siguientes: Por su diseño: La mayoría de los recipientes son cilíndricos en su forma, y son diseñados utilizando la teoría de la membrana cilíndrica. Hay varios requerimientos prácticos, tales como la necesidad de terminales cerradas, orificios de entrada y salida y accesorios. Algunas de las generalidades en el uso de los tipos más comunes de recipientes son:

Tanques abiertos.

Tanques cilíndricos verticales con fondo plano.

Recipientes cilíndricos verticales y horizontales con cabezas preformadas.

Tanques esféricos o esféricos modificados.

1.2.1 Tanques abiertos Estos son los más utilizados como tanque igualador o de oscilación como tinas para dosificar operaciones donde los materiales pueden ser decantados, como ejemplo se tienen:

Desecadores.

Reactores químicos.

Depósitos.

Dentro del criterio de evaluación para la selección de tanques abiertos o cerrados, dependerá del fluido a manejar y de la operación. Estos recipientes son fabricados generalmente de acero, cartón, concreto, sin embargo en los procesos industriales son construidos de acero debido a su bajo costo inicial y su fácil fabricación.

Figura 1.2 Tanques industriales de concreto abiertos https://es.dreamstime.com/fotos-de-archivo-los-tanques-industriales-concretos-abiertos-grandes-

image1357743 (02-02-2017)

4

1.2.2 Tanques cerrados Utilizados generalmente para combustibles, elementos tóxicos, gases finos, sustancias químicas peligrosas, tales como ácidos o sosa cáustica. 1.2.3 Tanques cilíndricos de fondo plano El diseño en el tanque cilíndrico vertical operando a la presión atmosférica, es el tanque cilíndrico con un techo cónico y un fondo plano descansando directamente en una cimentación compuesta de arena, grava o tierra triturada. En los casos donde se desea usar una alimentación de gravedad, el tanque es levantado arriba del terreno y el fondo plano debe ser por columnas y vigas de acero.

Figura 1.3 Tanques cilíndricos de fondo plano para almacenamiento de agua https://www.cosmos.com.mx/producto/4btd/tanques-de-almacenamiento (02-02-17)

1.2.4 Tanques cilíndricos horizontales y verticales con cabezas preformadas Son usados cuando la presión de vapor del líquido manejado puede determinar un diseño más resistente. Varios códigos han sido desarrollados por medio de los esfuerzos del API y el ASME para gobernar el diseño de tales recipientes. los recipientes Una gran variedad de cabezas formadas son usadas para cerrar los extremos de cilíndricos, las cabezas formadas incluyen:

Semiesférica.

Elíptica (semielíptica).

Toriesférica.

Cabeza estándar común.

Toricoidal (80:10).

Para propósitos especiales de placas planas son usadas para cerrar un recipiente abierto. Sin embargo las cabezas planas son raramente usadas en recipientes grandes.

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1.2.5 Recipientes esféricos o esféricos modificados En el almacenamiento de grandes volúmenes bajo presiones se utilizan, normalmente los recipientes esféricos. Las capacidades y presiones utilizadas varían de manera significativa. Para los recipientes mayores el rango de capacidad es de 1000 hasta 25000 psi (70.31 – 1757.75 Kg/cm2). Los recipientes en cada una de estas clasificaciones son generalmente utilizados como recipientes de almacenamiento y como recipientes de procesos para fluidos. Es utilizado generalmente para grandes volúmenes de líquidos como, salmuera y algunas otras soluciones acuosas, es posible almacenarlos en estanques si son de baja presión o tanques de acero, madera o concreto si son de mayores presiones. Si el fluido es tóxico, combustible o gaseoso, será requerido un sistema cerrado. En el caso de almacenamiento de fluidos a presión atmosférica se es utilizado en lo general tanques cilíndricos con fondo plano y techo cónico. Las esferas y esferoides son para almacenar con presiones donde el volumen requerido es grande. Para pequeños volúmenes bajo presión los tanques cilíndricos con tapas perforadas son más económicas.

Figura 1.4 Recipientes cilíndricos para gas natural licuado http://es.made-in-china.com/co_refinetech/product_LPG-Spherical-Pressure-Vessels-Tank_hoghgingy.html

(02-02-17)

1.2.6 Recipientes de almacenamiento Utilizados únicamente para almacenar fluidos a presión y de acuerdo con sus servicios son conocidos como tanques de almacenamiento. Tanques de día, tanques acumuladores, tanques atmosféricos, tanques elevados abiertos, de almacenamientos subterráneo, almacenamiento criogénico y a bajas temperaturas.

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Figura 1.5 Tanque de almacenamiento de agua potable http://www.aquastoredemexico.com/proyectos.php (02-02-17)

1.3 Clasificación del código A.S.M.E. Sección I. Calderas de potencia. Sección II. Especificación de materiales. Sección III. Requisitos generales para división 1 y división 2. Sección IV. Calderas para calefacción. Sección V. Pruebas no destructivas. Sección VI. Reglas y recomendaciones para el cuidado y operación de las calderas de calefacción. Sección VII. Guía y recomendaciones para el cuidado de calderas de potencia. Sección VIII. Recipientes a presión. Sección IX. Calificación de soldadura. Sección X. Recipientes a presión de plástico reforzado en fibra de vidrio. Sección XI. Reglas para inspección en servicio de plantas nucleares. Para este caso de estudio, el código ASME en la sección VIII división 1 establece los requerimientos mínimos para el diseño, fabricación e inspección y para obtener la certificación autorizada de la ASME para los recipientes a presión, así como de sus respectivas limitaciones. 1.3.1 Código A.S.M.E. sección VIII división 1 En esta parte del código se establecen los requerimientos mínimos para el diseño, fabricación y para obtener la certificación autorizada de la ASME para los recipientes a presión.

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En base a esto se ha dividido en: Subsección a. Parte UG que cubre los requerimientos generales. Subsección B. Requerimientos de fabricación. Parte UW.- Para recipientes que serán fabricados por soldadura. Parte UF.- Para recipientes que serán fabricados por forjado. Parte 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 fierro fundido. Parte UCL.- Para los construidos con una placa “clad” integral o con recubrimiento tipo “lining”. Parte UCD.- Para los construidos con fierro dúctil. Parte UNT.- Para los construidos con aceros ferríticos con propiedades de tensión mejoradas por tratamientos térmicos. Parte ULW.- Para los fabricados por el método de multicanas. Parte ULT.- Para los construidos con materiales con refuerzos permisibles más altos a bajas temperaturas. 1.3.2 Limitación 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 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 siguiente características:

1. Suministro de calor no mayor de 58,600 W (200,000 Btu/h).

2. Temperatura del agua de 99 °C (210 °F).

3. Recipientes sujetos a presión interna o externa menor de 1.0055 Kg/cm2 (15psi).

4. Recipientes que no excedan de 15.2 cm (6pulgadas) de diámetro.

1.4 El cloro: Sus propiedades, riesgos e impacto ambiental El cloro es el undécimo elemento más común de la corteza terrestre (el 0,045% de ésta es cloro) y está ampliamente extendido en la naturaleza. El cloro realiza una doble función para mantener la calidad de vida de las personas: por un lado, es el elemento imprescindible para el tratamiento y la potabilización del agua y para la prevención y el combate de enfermedades infecciosas; y, por el otro, es la materia

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básica para la fabricación de buena parte de los productos que utilizamos en nuestra actividad diaria. 1.4.1 Terminología El cloro (Cl2) es un elemento dela tabla periódica. Cloro líquido: Es el elemento cloro, en estado líquido. Nota: El término “cloro liquido” en algunas ocasiones se utiliza para describir la solución del hipoclorito de sodio empleado para la potabilización del agua y limpieza doméstica, sin embargo, no es la aplicación adecuada del término. 1.4.2 El cloro como desinfectante El cloro, utilizado solo o en forma de hipoclorito sódico, actúa como un potente desinfectante. Añadido al agua destruye rápidamente las bacterias y otros microbios que pueda contener, lo que garantiza su potabilidad y ayuda a eliminar sabores y olores. En las piscinas el uso de hipoclorito sódico es imprescindible para evitar la proliferación de algas u hongos, eliminar los organismos patógenos y asegurar unas condiciones higiénicas óptimas. 1.4.3 Propiedades químicas Y físicas El cloro, en condiciones ordinarias de presión y temperatura, es un gas amarillo verdoso de un olor irritante característico. Se considera un gas comprensible no inflamable, ni aún en estado líquido. El cloro es un elemento muy activo químicamente, razón por la cual no se le encuentra en estado libre, sino en combinación con otros elementos comunes como el sodio con el cual está ampliamente distribuido en la naturaleza como cloruro de sodio, y constituye su fuente principal. El cloro gaseoso es 2.5 veces más pesado que el aire, por lo que tiende a acumularse en los lugares bajos y se difunde lentamente en el punto y seguido el cloro gracioso puede ser licuado por la aplicación de presión a baja temperatura y en está forma un líquido claro color ámbar, 1.5 veces más pesado que el agua. A presión atmosférica hierve a -34 °C y se congela a -101°C aproximadamente. El volumen de cloro líquido cuando vaporiza, produce cerca de 460 volúmenes de gas. En presencia de humedad el cloro líquido o gaseoso es altamente corrosivo para los metales de construcción empleados normalmente. 1.4.4 Flamabilidad El cloro, gas o líquido, no es inflamable y explosivo; sin embargo, como el oxígeno, puede ser oxidante de ciertas sustancias que soportarían un proceso de combustión. Muchos compuestos orgánicos reaccionan rápidamente con el cloro, algunos de manera violenta.

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1.4.5 Reacciones químicas:

A. Con agua: El cloro es levemente soluble en agua. Cuándo reacciona con agua pura

(libre de minerales), se forma una solución débil de ácido clorhídrico y ácido

hipocloroso. Se puede cristalizar (hidratos de cloro – Cl2.8H2O) a una temperatura

cercana de 9°C @ presión atmosférica.

B. Con metales: La relación de reacción de los metales con cloro seco se incrementa

notablemente con la temperatura y bajo ciertas características. El hierro, cobre,

acero, plomo, níquel, platino, plata resisten el cloro seco (gas o liquido) hasta de

temperaturas cercanas a 121°C. El cloro reacciona con el aluminio, arsénico, oro,

mercurio, selenio, telurio y estaño. El titanio reacciona violentamente con el cloro

seco. A ciertas temperaturas, el sodio y el potasio pueden quemar al cloro gas. El

acero al carbón se incendia a temperaturas de 250°C en presencia de cloro.

C. Con otros elementos: El cloro, bajo condiciones específicas, reacciona con la

mayoría de los elementos. No reacciona directamente con el oxígeno y nitrógeno.

Mezclas de hidrogeno con cloro reaccionan violentamente; los límites de ignición

dependen de la temperatura, concentración y presión de la mezcla.

D. Con compuestos inorgánicos: La preparación de sosa y blanqueadores (hipoclorito

de sodio y calcio) son reacciones típicas del cloro con compuestos alcalinos. Dada

la gran afinidad por el hidrogeno, los cloruros remueven el hidrogeno de

compuestos como el sulfuro de hidrogeno formado ácido clorhídrico. El cloro, es

decir iones de hipo cloruro, reaccionan con el amoniaco formando mezclas con el

nitrógeno que dan como resultado compuestos explosivos como la nitroglicerina

(NC3).

E. Con compuestos orgánicos: El cloro reacciona con diversos compuestos orgánicos

formando derivados clorados. La reacción con compuestos orgánicos es en

extrema violenta, especialmente con hidrocarburos, alcoholes y éteres.

1.4.6 Propiedades físicas Las siguientes propiedades están basadas para “Cloro Puro” bajo condiciones estándares (0°C a una presión absoluta 101.325 kPa) Punto ebullición: -33.97 °C Densidad: Liquido saturado: 88.76 kg/m3 @ 0°C 1422 kg/m3 @ 15.6°C Punto congelamiento: - 100.98°C

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Calor latente de vaporización: 288.1 kJ/kg Calor específico Liquido saturado: 0.948 kJ/kg.K @ 0°C 0.975 kJ/kg.K @ 25°C Presión de vapor: 368.9 kPa @ 0°C 112.95 kPa @ 25°C Viscosidad Liquido: 0.3863 mPa.s @0°C 0.3538 mPa.s @ 15.6°C

1.4.7 Riesgos para la salud El cloro entra en el cuerpo al ser respirado el aire contaminado o al ser consumido con

comida o agua contaminadas. No permanece en el cuerpo, debido a su reactividad.

Los efectos del cloro en la salud humana dependen de la cantidad de cloro presente, y del

tiempo y la frecuencia de exposición. Los efectos también dependen de la salud de la

persona y de las condiciones del medio cuando la exposición tuvo lugar.

El cloro se considera como una sustancia química irritante del sistema respiratorio, de las membranas mucosas y de la piel. En bajas concentraciones, es fácil detectarlo en el aire aún antes de notar su color amarillo verdoso característico (el olfato humano tiene la capacidad de detectar cloro hasta 1 p.p.m.). El cloro líquido causa fuertes quemaduras al contacto con la piel y en los ojos. Los efectos son más severos a medida que es más alta la concentración y mayores tiempos de exposición, ocasionado irritación a ojos y dificultad para respirar. Los síntomas de la exposición a altas concentraciones consisten en náuseas y vómito seguido de una notoria dificultad para respirar. El cloro no produce efectos acumulativos conocidos y todas las molestias que ocasionan se deben directa o indirectamente a su acción irritante local. Sin embargo, las personas que según su historial médico padezcan enfermedades crónicas, no deben trabajar en áreas donde se maneje cloro. Aunque el cloro no produce efectos acumulativos, una exposición severa ocasionaría daños irreversibles al sistema respiratorio; por lo que es necesario realizar estudios para diagnóstico clínicos al personal potencialmente expuesto al cloro. 1.4.8 Otros riesgos Fuego: El cloro no es inflamable, sin embargo el cloro puede soportar la combustión en ciertos materiales.

11

Reacción Química; El cloro es una sustancia química reactiva con muchas sustancias. Puede reaccionar con algunos compuestos inorgánicos y orgánicos. A una temperatura elevada puede reaccionar vigorosamente con muchos metales. El cloro reacciona casi con todos los elementos y generalmente con desprendimiento de calor. Acción Corrosiva: A temperaturas ordinarias, el cloro seco, líquido o gaseoso, no corroe el acero, sin embargo en presencia de humedad se desarrollan condiciones tales que lo hace altamente corrosivo por la formación de ácidos e hipocloroso y clorhídrico. Por esto al ocurrir un escape de cloro, no debe usarse agua ya que se provocarían condiciones corrosivas que harían más grande la vía escape y acelerar más el deterioro del cilindro.

En los sistemas donde no se ha tenido los cuidados necesarios para evitar la entrada de humedad, la corrosión del cloro deja como resultado un residuo formado principalmente por cloruro férrico. Dicho residuo provoca daños en sistemas de medición y control, reduciendo la eficiencia en vaporizadores y siendo indicativo de un deterioro anormal. Se puede utilizar vapor o agua caliente para disolverlo (el cloruro férrico), sin embargo, válvulas, equipos y otros accesorios deben limpiados mediante métodos tradicionales. Expansión Volumétrica: El volumen del cloro líquido se incrementa considerablemente con la temperatura. Se deberán tomar serias consideraciones para no sobrellenar los contenedores de cloro y otros equipos ya que podría causar, con la expansión volumétrica, una ruptura del recipiente o contenedor. Efectos Ambientales del Cloro: Las plantas y los animales no suelen almacenar cloro. Sin

embargo, estudios de laboratorio muestran que la exposición repetida a cloro en el aire

puede afectar al sistema inmunitario, la sangre, el corazón, y el sistema respiratorio de los

animales.

El cloro provoca daños ambientales a bajos niveles. El cloro es especialmente dañino

para organismos que viven en el agua y el suelo.

12

Capítulo II

Análisis del Diseño de

Ingeniería

En este capítulo se realiza un estudio de las características mecánicas de materiales para el correcto dimensionamiento de los elementos que componen el recipiente a presión, esfuerzos a los que estarán sometidos y la selección de accesorios para el mismo.

13

2.1 Presión interna

Partiendo del volumen que se opera:

20𝑚3 𝑑𝑒 𝐶𝑙

20𝑚3 = 706.29𝑓𝑡3

2.1.1 Presión de operación

𝑃𝑜 = 320𝑝𝑠𝑖

2.1.2 Presión de diseño

Según la norma

𝑃𝐷 = 𝑃𝑂 + 30𝑝𝑠𝑖………………….………………………….. (Form 1)

𝑃𝐷 = 1.1𝑃𝑂…………………………………………………… (Form 2)

1) 𝑃𝐷 = 320𝑝𝑠𝑖 + 30𝑝𝑠𝑖 = 350𝑝𝑠𝑖……………………..(Ec.1)

2) 𝑃𝐷 = 1.1(320𝑝𝑠𝑖) = 𝟑𝟓𝟐𝒑𝒔𝒊………………...………(Ec.2)

Se selecciona la segunda opción por ser la de mayor magnitud

Material propuesto (Ver anexo A): Acero al carbono SA-515 grado 65

St=16.3ksi

2.2 Margen por corrosión

Según la norma.- Si el efecto por corrosión es indeterminado el margen lo define el

diseñador.

-De acuerdo a tabla “Resistencia química de los metales” pág. 196 Megyesy:

El acero tiene buena resistencia al cloro seco (<150ppm de 𝐻2𝑂).

14

Tabla 2.1 Resistencia química de los materiales

15

Si el cloro llega a convertirse en “húmedo”, es decir, si rebasa la cantidad límite para

considerarse seco, se crean cloruros que pueden generar esfuerzos corrosivos que

debiliten al material.

El mínimo margen por corrosión aceptable para la norma es de 1/16 de pulgada en 12

años, por lo tanto se considera ese el margen de corrosión

𝑚𝑎𝑟𝑔𝑒𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖ó𝑛 𝑪 = 𝟎. 𝟎𝟔𝟐𝟓𝒊𝒏

2.3 Soldadura en juntas del recipiente sometido a presión

-De acuerdo a tablas a las tablas “Tipos de juntas soldadas” pág. 142 Megyesy y “Diseño

de juntas soldadas” pág. 144 Megyesy:

Tabla 2.2: Tipos de juntas soldadas

16

Condiciones de diseño: Recipientes donde el examen radiográfico completo no es

obligatorio. Todas las juntas deben ser del tipo (1) o (2)

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑗𝑢𝑛𝑡𝑎 𝑬 = 𝟎. 𝟖 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑁𝑜. (1) 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒

𝑬 = 𝟎. 𝟖𝟓 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑁𝑜. (2) 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑛 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜

Tabla 2.3 Diseño de juntas soldadas

17

2.4 Tamaño óptimo del recipiente

-Tomando como referencia el procedimiento propuesto en la pág.264, Megyesy

𝐹 =𝑃

𝐶𝑆𝐸……………………………………………….……. (Form 3)

𝑃: 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 (𝑙𝑏/𝑖𝑛2) 𝐶: 𝑚𝑎𝑟𝑔𝑒𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖ó𝑛 (𝑖𝑛)

𝑆: 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 (𝑙𝑏/𝑖𝑛2)

𝐸: 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑗𝑢𝑛𝑡𝑎

𝐹 =352𝑙𝑏/𝑖𝑛2

0.0625𝑖𝑛 (16.3𝑥103𝑙𝑏/𝑖𝑛2)(0.8)………………..………..(Ec. 3)

.

𝐹 = 0.432𝑖𝑛−1

Usando la “grafica para determinar el tamaño óptimo del recipiente” pág.265, Megyesy.

Figura 2.1 Determinación del tamaño óptimo del recipiente

𝑉 = 706.26𝑓𝑡3

18

*Nota: suponiendo cabezas elipsoidales

𝐹 = 0.432𝑖𝑛−1

𝐷𝑖𝑛𝑡 = 3.85𝑓𝑡 = 46.2𝑖𝑛

𝐿 =4𝑉

𝜋𝐷2……………………………………………………. (Form 4)

𝐿 =4(706.26𝑓𝑡3)

𝜋(3.85𝑓𝑡)2 ……………………..….………………….(Ec. 4)

𝐿 = 60.67𝑓𝑡 = 782𝑖𝑛

Debido a que la longitud es mucho mayor que el diámetro, se hará un ajuste a estas

dimensiones (aproximadamente L=3D) y que a su vez cumpla con el volumen necesario:

𝐴 =𝜋(

1

3𝐿)2

4………………………………………………….(Form 5)

𝑉 = 𝐴𝐿 =𝜋(

1

3𝐿)

2

4(𝐿)…………………………………….….(Ec. 5)

𝜋𝐿3

36= 706.29𝑓𝑡3…………………………………………….(Ec. 6)

𝐿 = 20.07𝑓𝑡……………………………………………..……. (Ec. 7)

𝐷 =1

3𝐿 = 6.7𝑓𝑡………………………………………………..( Ec. 8)

Se propone un diámetro Dint=6.8ft (81.6in) y una longitud de 20ft (240in)

Calculo del espesor de pared expresado en pulgadas de acuerdo a la pág.18 del manual

Megyesy.

Figura 2.2 Fórmula para determinar el espesor de pared del casco

19

𝑡 =𝑃𝑅

𝑆𝐸−0.6𝑃…………………………………….……..(Form 6)

𝑡 =352𝑝𝑠𝑖(40.8𝑖𝑛)

16.3𝑥103𝑝𝑠𝑖(0.8)−0.6(352𝑝𝑠𝑖)…………………...(Ec. 9)

𝑡 = 1.12

A este espesor se le debe sumar 1/8 de pulgada para así tener en consideración el efecto

corrosivo, que bien, aunque es mínimo, altera la dimensión del espesor del cilindro

𝑡 = 1.12 + 2(𝐶)…………………………………….……..,,,,,,(Form 7)

𝑡 = 1.12 + 2(0.0625)…………………………………….…....(Ec. 10)

𝑡 = 1.245𝑖𝑛

Se especifica un espesor de 1 1/4´´

Por lo tanto, el diámetro exterior del cilindro será la suma del diámetro interior más dos

veces el espesor de placa.

𝐷𝑒𝑥𝑡 = 𝐷𝑖𝑛𝑡 + 2𝑡…………………………………….………...(Form 8)

𝐷𝑒𝑥𝑡 = 81.6𝑖𝑛 + 2(1.25) ……………………………….……..(Ec. 11)

𝑫𝒆𝒙𝒕 = 𝟖𝟒. 𝟏𝒊𝒏

2.5 Selección de cabezas La selección del tipo de cabeza o tapa del recipiente queda a criterio del diseñador. Por simpleza y sabiendo que la distribución más uniforme de presión en cabezas es la de forma hemisférica, se elige un par de cabezas de este tipo, como se muestra en la figura 6.

Figura 2,3 Cabeza hemisférica

20

En este tipo de cabezas solo habrá que respetar el hecho de que, cuando el espesor de pared exceda de 0.365R, o P exceda de 0.665 SE, se aplicarán con ecuaciones diferentes a las siguientes:

𝑡 =𝑃𝑅

2𝑆𝐸−0.2𝑃…………………………………….…………..(Form 9)

𝑃 =2𝑆𝐸𝑡

𝑅+0.2𝑡…………………………………….………...…..(Form 10)

2.5.1 Cálculo de espesor de pared requerido y presión máxima de trabajo permitida para las cabezas Datos de Diseño: P= Presión de diseño, 352 lb/pulg2 S= Valor del esfuerzo de la placa SA-515 grado 65 (Anexo A), 16300 lb/pulg2

E= 0.85, eficiencia de las juntas del casco y la cabeza hemisféricas, examinada por zonas R= 42.05 pulgadas, radio exterior En zonas corrosivas, mayor junto con D= 84.1 pulgadas, diámetro exterior el margen de corrosión t= Espesor de pared requerido, pulgadas C.A.= 0.0625 pulgadas, margen de corrosión

Utilizando las formulas anteriores 9 y 10 se procede a calcular el espesor de pared y presión máxima de trabajo.

𝑡 = 352

𝑙𝑏

𝑖𝑛2(42.05 𝑖𝑛)

2(16300𝑙𝑏

𝑖𝑛2)(0.85)−0.2(352𝑙𝑏

𝑖𝑛2)……………….….……..(Ec. 12)

𝑡 = 0.5342 + 𝐶𝐴…………………………………….………...(Form 11) 𝑡 = 0.5342 + 0.0625…………………………………….…….(Ec. 13) 𝑡 = 0.5967 𝑖𝑛

El espesor será de 𝒕 = 𝟎. 𝟔𝟐𝟓 𝒊𝒏 = 𝟓

𝟖𝒊𝒏

𝐷𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑎 10:

𝑃 =2 (16300

𝑙𝑏

𝑖𝑛2)(0.85)(0.625 𝑖𝑛)

42.05 𝑖𝑛+0.2(0.625 𝑖𝑛)………….………….……..(Ec. 14)

𝑷 = 𝟒𝟎𝟎 𝒍𝒃

𝒊𝒏𝟐

Comprobando que el espesor no sea mayor a 0.356R

0.356𝑅 = 0.356 (42.05 𝑖𝑛) = 14.525 𝑖𝑛

𝟏𝟒. 𝟗𝟔𝟗 𝒊𝒏 ≪ 𝟎. 𝟔𝟐𝟓 𝒊𝒏 Cumple la Condición

Comprobando que la presión máxima no sea mayor a 0.665 SE

21

0.665 𝑆𝐸 = 0.665 (16300𝑙𝑏

𝑖𝑛2) (0.85) = 9213.575

𝑙𝑏

𝑖𝑛2

𝟗𝟐𝟏𝟑. 𝟓𝟕𝟓 𝒍𝒃

𝒊𝒏𝟐 ≪ 𝟒𝟎𝟎 𝒍𝒃

𝒊𝒏𝟐 Cumple la Condición

2.6 Estimación de peso del casco De acuerdo al manual de recipientes a presión, diseño y cálculo del autor Magyesy, con el espesor del caso y su diámetro se dan ciertos pesos propuestos por cada pie de longitud del caso. En la tabla indicada del libro se menciona que para un diámetro exterior de 84in (Dado que el diámetro exterior real tiene una diferencia de 0.1in (84.1in), puede considerarse despreciable) y un espesor de 1 1/4in, se tiene un peso de1105lb/ft. Se procede a calcular el peso del cilindro con los datos obtenidos:

𝑊𝑐𝑎𝑠𝑐𝑜 = 1105𝑙𝑏/𝑓𝑡 (20𝑓𝑡)

𝑾𝒄𝒂𝒔𝒄𝒐 = 𝟐𝟐𝟏𝟎𝟎𝒍𝒃

2.7 Presión externa Según la norma, los recipientes deben ser diseñados para trabajar a una presión externa máxima de 15 psi (presión manométrica).

La ciudad de México tiene una 𝑃𝑎𝑡𝑚 = 550𝑚𝑚𝐻𝑔 que es el equivalente a 12 psi El método de diseño que aparece en las páginas siguientes se ajusta a las indicaciones de la norma sobre recipientes a presión por la ASME.

Análisis en el casco: Datos

𝑃𝑒𝑥𝑡 = 12 𝑝𝑠𝑖 𝑇 = 20℃ = 68℉ 𝐷0 = 84.1𝑖𝑛 𝑅0 = 42.05𝑖𝑛 MATERIAL SA-515 grado 65 St=16.3 ksi

𝑡𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 1.25𝑖𝑛

𝐿0 = 𝐿 + 2(𝑅0𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧

3) …………………..……………….……..(Form 12)

𝐿0 = 240 + 2(42.05

3) ………………………….……….……..(Ec. 15)

𝐿0 = 268.05𝑖𝑛 Formula:

𝑃𝑎 =4𝐵

3(𝐷0

𝑡)…………………………………………….……..(Form 13)

22

Para la Obtención de B: 𝐿0

𝐷0=

268.05

84.1= 3.18…………………………………….……...(Ec. 16)

𝐿0

𝑡=

84.1

1.25= 67.28…………………………………….……....(Ec. 17)

Entrando a la gráfica UGO Z8 pág. 40 de Megyesy se obtiene factor A: Figura 2.4 Valores del factor “A” que se usan en las fórmulas para recipientes sometidos a presión externa

23

Satisfactorio

𝐴 = 0.0007

Entrando a la gráfica de valores del factor B Pag 41 Megyesy con T=100℉ Temperatura en condiciones extremas

Figura 2.5 Valores del factor “B” que se usan en las fórmulas para recipientes sometidos a presión externa

𝐵 = 12000 Siguiendo con la fórmula 13

𝑃𝑎 =4(12000)

3(84.1

1.25)

= 237𝑝𝑠𝑖….…………………………….……..(Ec. 18)

𝑷𝒂 = 𝟐𝟑𝟕𝒑𝒔𝒊 Como la presión máxima permitida es mayor que la presión externa de diseño, el espesor de diseño es seguro y no requiere anillos de atiesamiento para reforzar el cilindro.

𝑃𝑎 ≫ 𝑃𝑒𝑥𝑡

237𝑝𝑠𝑖 ≫ 12𝑝𝑠𝑖 Para el análisis de presión externa en cabezas hemisféricas se utiliza un método muy parecido solo que:

24

Satisfactorio

𝑃𝑎 =𝐵

𝑅𝑜 𝑡⁄…………………………………….………………..(Form 14)

Y el factor A para determinar B se obtiene mediante:

𝐴 =0.125

(𝑅𝑜 𝑡⁄ )…………………………………….……………….(Form 15)

Sabiendo que t=5

8𝑖𝑛

𝐴 =0.125

(42.05

0.625)

= 0.00185………………………………….……..(Ec. 19)

Entrando a la gráfica del factor B pag 41 Megyesy con 𝑇 = 100℉

𝐵 = 17000 ∴ Sustituyendo en la fórmula 14:

𝑃𝑎 =17000

(42.05

0.625)

= 252𝑝𝑠𝑖……………………………………....(Ec. 20)

𝑷𝒂 = 𝟐𝟓𝟐𝒑𝒔𝒊 Como la presión máxima permitida 𝑃𝑎 es mayor que la presión de diseño 𝑃𝑒𝑥𝑡; el espesor propuesto es satisfactorio.

𝑃𝑎 ≫ 𝑃𝑒𝑥𝑡 252𝑝𝑠𝑖 ≫ 12𝑝𝑠𝑖

2.8 Estimación de peso de las cabezas De acuerdo al manual de recipientes a presión, diseño y cálculo del autor Magyesy, con el espesor de cabeza y el diámetro se dan ciertos pesos propuestos, donde, para un diámetro de 84 pulgadas el peso estimado es de 2458 libras. Dado que el diámetro exterior real tiene una diferencia de 0.1in (84.1), puede considerarse despreciable y tomar el peso de 2458lb por cada cabeza

𝑾𝒄𝒂𝒃𝒆𝒛𝒂 = 𝟐𝟒𝟓𝟖𝒍𝒃 NOTAS: todos los pesos están calculados con el peso teórico del acero = 0.28333 libras para obtener el peso total del recipiente es necesario a agregar el 6% del total de este.

2.9 Estimación del peso total del tecipiente El peso del recipiente será la suma del peso del casco y el peso de las cabezas más 6% de este resultado, con la finalidad de cubrir los excedentes de peso con que se surte material dentro de sus tolerancias de fabricación y el peso de las soldaduras. 𝑊𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = (𝑊𝑐𝑎𝑠𝑐𝑜 + 2(𝑊𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎)) (1.6) ………………...(Form 16)

25

𝑊𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = (22100𝑙𝑏 + 2(2458𝑙𝑏))(1.6) ..……….……..(Form 16)

𝑾𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 = 𝟒𝟑𝟐𝟐𝟓. 𝟔𝒍𝒃

Para efectos de cálculo de los apoyos que soportan al recipiente, suele considerarse el peso del recipiente lleno de agua, es decir, considerando el peso del agua y sumarlo al peso del recipiente para obtener un peso total 𝑾𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝑾𝒓𝒆𝒄𝒊𝒑𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 + 𝑾𝑯𝟐𝑶………..……………….……..(Form 17)

Considerando al agua en condiciones normales de operación (1atm de presión y 20C) tiene una densidad de 1000 kg/m3 o de 62lb/ft3. Partiendo de esto y aplicando la fórmula de la densidad se puede obtener la masa total del agua para el volumen de trabajo (del recipiente)

𝜌 =𝑚

𝑣…………………………………………………..……..(Form 18)

𝑚 = 𝜌𝑣………………………………………………..……..(Ec. 21)

𝑚 = 62 𝑙𝑏 𝑓𝑡3(706.29𝑓𝑡3)⁄ …………………….…….……..(Ec. 22)

𝑚 = 43789.98𝑙𝑏𝑚 Usando el factor de conversión de libras fuerza (peso) a libras masa, se obtiene el peso del agua: 1lbf=32.17lbm

𝑊𝐻2𝑂 =43789.98𝑙𝑏𝑚

32.17𝑙𝑏𝑚/𝑙𝑏𝑓

𝑾𝑯𝟐𝑶 = 𝟏𝟑𝟔𝟏. 𝟐𝒍𝒃

Sustituyendo en la fórmula 17:

𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 43225.6𝑙𝑏 + 1361.2𝑙𝑏………….………….……..(Ec. 23) 𝑾𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝟒𝟒𝟓𝟖𝟔. 𝟖𝒍𝒃

2.10 Diseño de silletas o apoyos El método utilizado en el diseño de las silletas se basa en el análisis realizado por la ASME. Un recipiente horizontal montado sobre soportes de silletas actúa como una viga. Para cilindros sin atezamiento sujetos a presión externa el ángulo de contacto está limitado a 120º por las normas ASME. Para los recipientes largos de pared gruesa se aconseja soportarlas donde el esfuerzo flexionante máximo longitudinal sobre la silleta sea casi igual al esfuerzo sobre la mitad del claro, por tal razón, la distancia de la línea tangente a la cabeza y a la silleta en ningún caso debe ser mayor a 2 veces la longitud del recipiente y menor a 2 veces el diámetro:

26

Figura 2.6 Esquema general de las dimensiones del recipiente

0.2𝐷 ≤ 𝐴 ≤ 0.2𝐿…………………………………….……....(Form 19) 0.2(84𝑖𝑛) ≤ 𝐴 ≤ 0.2(240)……..…………………….……..(Ec. 24) 16.8𝑖𝑛 ≤ 𝐴 ≤ 48𝑖𝑛 Propuesta: La distancia entre la tangente a la cabeza y la silleta “A” será de 30in

A=30in En su sección más baja, la silleta debe resistir la fuerza horizontal F. La sección transversal eficaz de la silleta que resiste esta carga es igual a la tercera parte del radio del recipiente.

Figura 2.7 Esquema general de las dimensiones de la silleta o apoyo

Sabiendo que el peso total del recipiente lleno de agua es:

27

𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 44586.8𝑙𝑏 El recipiente será soportado por 2 silletas, por lo tanto cada silleta soportara la mitad del peso total. Carga sobre una silleta (Q):

𝑄 =𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

2=

44586.8

2= 22293.4𝑙𝑏…………………….……..(Ec. 25)

Se propone un espesor de placa del alma (para resistir la fuerza horizontal) 5

8𝑖𝑛 .

𝒆 =𝟓

𝟖𝒊𝒏

Se prosigue a verificar que el espesor sea satisfactorio. Tabla 2.4 Valores de la constante K11

𝐹 = 𝐾11(𝑄)…………………………………………………..(Form 20)

𝐾11 = 0.204 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝜃 = 120

*valor obtenido de la tabla de valores de la constante 𝐾11del libro “Manual de recipientes a presión” de megyesy.

𝐹 = 0.204(22293.4𝑙𝑏)………………………….…………...(Ec. 26)

28

𝑭 = 𝟒𝟓𝟒𝟕. 𝟖𝟓𝒍𝒃 Para soportar esta fuerza el área efectiva de la placa debe ser: 𝑅

3(𝑒) =

42𝑖𝑛

3(0.625) = 8.75𝑖𝑛2…………………….………...(Ec. 27)

Por lo tanto al esfuerzo al que está sometida la placa es:

𝑆 =𝐹

𝐴…………………….…………………………………...(Form 21)

𝑆 =4547.85𝑙𝑏

8.75𝑖𝑛2 …………………….…………………….……...(Ec. 28)

𝑆 = 519.75𝑝𝑠𝑖 El esfuerzo no debe ser mayor a dos tercios del esfuerzo a la tensión permitido por el material.

𝑆𝑡 = 16300𝑝𝑠𝑖

𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜 =2

3𝑆𝑡 =

2

3(16300𝑝𝑠𝑖) = 10866.6𝑝𝑠𝑖...(Ec. 29)

10866.6𝑝𝑠𝑖 ≫ 519.75𝑝𝑠𝑖 El espesor de la placa del alma es satisfactorio para la fuerza horizontal (𝐹) *La placa del alma debe reforzarse con nervaduras contra el pandeo.

Figura 2.8 Esquema de las cotas necesarias para obtener los esfuerzos en el recipiente

29

𝐿 = 240𝑖𝑛 𝐻 = 𝑅 = 42𝑖𝑛 𝐴 = 30𝑖𝑛 𝐵 = 9𝑖𝑛 𝑡𝑠 = 1.25𝑖𝑛

𝑡ℎ =5

8𝑖𝑛

𝑄 = 22293.4𝑙𝑏

𝜃 = 120𝑖𝑛

𝐷𝑚 =𝐷𝑒𝑥𝑡+𝐷𝑖𝑛𝑡

2…………………….……………………….....(Form 22)

𝐷𝑚 =84𝑖𝑛+81.5𝑖𝑛

2= 82.75𝑖𝑛…..…….………………..……...(Ec. 30)

2.11 Cálculo de esfuerzos en silletas El cálculo de los esfuerzos estará basado en el manual para recipientes a presión del autor Megyesy, pág. 86. Tabla 2.5 Fórmulas necesarias para calcular esfuerzos en silletas y recipiente

30

2.11.1Esfuerzos debidos a presión interna

2.11.1.1 Esfuerzo longitudinal:

𝑆𝐿 =𝑃𝑜𝐷𝑚

4𝑡𝑠…..…….……..………..………………………....(Form 23)

𝑆𝐿 =352𝑝𝑠𝑖(82.75𝑖𝑛)

4(1.25𝑖𝑛)…..…….……………..…………….....(Ec. 31)

𝑺𝑳 = 𝟓𝟖𝟐𝟓. 𝟔𝒑𝒔𝒊 2.11.1.2 Esfuerzo circunferencial:

𝑆𝐶 =𝑃𝑜𝐷𝑚

2𝑡𝑠…..…….………………..………………….…...(Form 24)

𝑆𝐶 =352𝑝𝑠𝑖(82.75𝑖𝑛)

2(1.25𝑖𝑛)…..…….………………..………….....(Ec. 32)

𝑺𝑪 = 𝟏𝟏𝟔𝟓𝟏. 𝟐𝒑𝒔𝒊 Tabla 2.6 Valores de las distintas k utilizadas para el cálculo de esfuerzos

31

2.11.2 Esfuerzo a flexión longitudinal 2.11.2.1 En las silletas a tensión:

𝑆1 =

𝑄𝐴(1−1−

𝐴𝐿

+𝑅2−𝐻2

2𝐴𝐿

1+4𝐻3𝐿

)

𝐾1𝑅2𝑡𝑠…..…….…………………..……...(Form 25)

𝑆1 =

22293.4(30)(1−1−

30240

+422−422

2(30)(240)

1+4(42)

3(240)

)

0.335(42)²(1.25)…..…….……………...(Ec. 33)

𝑺𝟏 = 𝟐𝟔𝟑. 𝟎𝟓𝒑𝒔𝒊

La suma de 𝑆1y el esfuerzo circunferencial debido a la presión interna (𝑆𝑐) no debe ser mayor que el esfuerzo permitido del material del casco multiplicado por la eficiencia de la costura circunferencial.

𝑆1 + 𝑆𝐶 < 𝑆𝑡(𝐸𝐿)…..…….………………..…………….…...(Form 26) 263.05𝑝𝑠𝑖 + 11651.2𝑝𝑠𝑖 < 16300𝑝𝑠𝑖 (0.8) ……….……...(Ec. 34)

𝟏𝟏𝟗𝟏𝟒. 𝟐𝟓𝒑𝒔𝒊 < 𝟏𝟑𝟎𝟒𝟎𝒑𝒔𝒊

El esfuerzo de compresión no es factor de importancia en un recipiente en el que 4𝑅 ≥0.005…..…….…………………………….…..……...(Ec. 35) Verificación: 1.25

4𝑅≥ 0.005 → 0.029 > 0.005…..…….………………..…..(Ec. 36)

Por lo tanto el esfuerzo a compresión no es necesario de calcular. 2.11.2.2 En la mitad del claro a tensión: Sustituyendo en la fórmula 25:

𝑆1 =

(22293.4)(240)

4(

1+2422−422

240²

1+4(42)

3(240)

−4(30)

240)

𝜋42²(1.25)…..…….…..……...(Ec. 37)

𝑺𝟏 = 𝟔𝟎𝒑𝒔𝒊

La suma de 𝑆1y el esfuerzo circunferencial debido a la presión interna (𝑆𝑐) no debe ser mayor que el esfuerzo permitido del material del casco multiplicado por la eficiencia de la costura circunferencial.

𝑆1 + 𝑆𝑐 < 𝑆𝑡𝐸𝐿…..…….………………..…………………...(Form 27) 60𝑝𝑠𝑖 + 11651.2𝑝𝑠𝑖 < 16300(0.8)….……………..……...(Ec. 38) 𝟏𝟏𝟕𝟏𝟏. 𝟐𝟏𝒑𝒔𝒊 < 𝟏𝟑𝟎𝟒𝟎𝒑𝒔𝒊

32

2.11.3 Esfuerzo cortante tangencial 2.11.3.1 En casco De acuerdo al manual de recipientes a presión (megyesy) el cálculo de este esfuerzo

dependerá de si las silletas esta una distancia de la cabeza 𝐴 >𝑅

2 o de si están próximas

a la cabeza 𝐴 ≤𝑅

2.

Verificación: 𝑅

2=

42

2= 21

𝐴 = 30 30 > 21 Por lo tanto se usara la siguiente formula:

𝑆2 =𝐾2𝑄

𝑅𝑡𝑠(

𝐿−2𝐴

𝐿+4

3𝐻

)…..…….………………..………………....(Form 28)

𝑆2 =1.771(22293.4)

42(1.25)(

240−2(30)

240+4

3(42)

)…..……….…………...(Ec. 39)

𝑺𝟐 = 𝟑𝟎𝟐. 𝟑𝟖𝒑𝒔𝒊

𝑆2 no debe exceder en más de 0.8 veces el esfuerzo permitido del material del recipiente.

𝑆2 < 0.8𝑆𝑡 302.38𝑝𝑠𝑖 < 0.8(16300𝑝𝑠𝑖)

𝟑𝟎𝟐. 𝟑𝟖𝒑𝒔𝒊 < 𝟏𝟑𝟎𝟒𝟎𝒑𝒔𝒊 2.11.4 Esfuerzo circunferencial 2.11.4.1 En el cuerno de la silleta El cálculo de este esfuerzo dependerá de si la longitud es mayor o menor a 8 veces la magnitud del radio. Verificación:

𝐿 = 240𝑖𝑛

8𝑅 = 8(42) = 336 ∴ 336 > 240

𝐿 < 8𝑅 Por consiguiente se usara la siguiente fórmula:

𝑆4 = −𝑄

4𝑡𝑠(𝐵+1.56√𝑅𝑡𝑠−

12𝑘6𝑄𝑅

𝐿𝑡𝑠2 ……..…………………...(Form 29)

33

El valor 𝑘6 se obtendrá a partir de gráfica de la página 89 del libro “manual de recipientes a presión (megyesy)”.

Relacion 𝐴

𝑅=

30

42= 0.7142

Figura 2.9 Valores de la constante k6

𝜃 = 120° 𝑘6 = 0.025

𝑆4 = −22293.4

4(1.25)(9+1.56√42(1.25)−

12(0.025)(22293.4)(42)

240(1.252)…....(Ec. 40)

𝑆4 = −219.6 − 749.05 𝑺𝟒 = −𝟗𝟔𝟖. 𝟔𝟓𝒑𝒔𝒊

34

𝑆4 No debe ser mayor de 1.5 veces el valor de esfuerzo a la tensión permitido del material del casco.

𝑆4 < 1.5(16300𝑝𝑠𝑖) 𝟗𝟔𝟖. 𝟔𝟓𝒑𝒔𝒊 < 𝟐𝟒𝟒𝟓𝟎𝒑𝒔𝒊

2.11.4.2 En la parte inferior de la silleta

𝑆5 = −𝐾7𝑄

𝑡𝑠(𝐵+1.56√𝑅𝑡𝑠)…..……………..…………………...(Form 30)

𝑆5 = −0.76(22293.4)

1.25(9+1.56√42(1.25)= −667.6𝑝𝑠𝑖……………...(Ec. 41)

𝑆5No debe ser de 0.5 veces el punto de fluencia a compresión del material del casco. 𝑆5 < 0.5𝑆𝑦

667.6𝑝𝑠𝑖 < 0.55(35000𝑝𝑠𝑖) 𝟔𝟔𝟕. 𝟔𝒑𝒔𝒊 < 𝟏𝟕𝟓𝟎𝟎𝒑𝒔𝒊

2.12 Cálculo de orejas de izaje

Con el fin de transportar, localizar, dar mantenimiento, etc., a los recipientes a presión es

necesario equiparlos por lo menos con orejas de izaje, el espesor de éstas se calcula por

medio de la siguiente ecuación:

𝑡𝑜=

𝑊

𝑆𝐷

…..…….………………..……………………………...(Form 31)

Donde:

to= Espesor mínimo requerido en la oreja de izaje.

W= Peso del equipo vacío.

S= Esfuerzo a la tensión del material de la oreja.

D= Distancia mostrada en la Figura #

El espesor mínimo en las orejas de izaje será el dado por la siguiente ecuación.

𝑡𝑜=

43225.6 𝑙𝑏

16.3 𝑋103𝑝𝑠𝑖(1.625𝑖𝑛)=1.6319 𝑖𝑛

…..…….…………………...(Ec. 42)

Es conveniente verificar que el espesor del recipiente será suficiente para soportar las

fuerzas aplicadas en la oreja de izaje, el espesor mínimo requerido en el cuerpo o en la

placa de respaldo de la oreja está dado por la ecuación:

𝑡𝑐=

𝑊

𝑆(𝐶+𝑡0)2

…..…….………………..………………...……...(Form 32)

35

tc= Espesor mínimo requerido en la la placa de respaldo

W= Peso del equipo vacío.

S= Esfuerzo a la tensión del material de la oreja.

C=longitud mostrada en la figura

to = espesor de la oreja de izaje.

𝑡𝑐=

43225.6 𝑙𝑏

16.3 𝑋103𝑝𝑠𝑖(1.6319 𝑖𝑛+9.75 𝑖𝑛)2=0.1165 𝑖𝑛

…..………..……...(Ec. 43)

Tabla 2.7 Orejas de izaje propuestas para distintos pesos del recipiente

Oreja seleccionada de capacidad de 24500 Kg con espesor de 2 in

2 in> 1.6319 in

Finalmente, debemos verificar que la soldadura aplicada para fijar la oreja de izaje sea

suficiente, ello se hará con las siguientes ecuaciones:

𝐴𝑠 = 1.4242(𝑡0)𝐶 …..…….………………………....……...(Form 33)

𝐴𝑟 =𝑊

𝑆…..…….………………..………………...………....(Form 34)

As = Área de soldadura aplicada

Ar = Área mínima de soldadura requerida

𝐴𝑠 = 1.4142(2𝑖𝑛)(9.75 𝑖𝑛) = 27.5769 𝑖𝑛2…..……..……...(Ec. 44)

36

𝐴𝑟 =𝑊

𝑆=

43225.6 𝑙𝑏

16.3 𝑋103𝑝𝑠𝑖 = 2.6518 𝑖𝑛2 ….……………...……...(Ec. 45)

Siempre se deberá cumplir la condición de que 𝐴𝑠 > 𝐴𝑟

27.5769 𝑖𝑛2 > 2.6518 𝑖𝑛2

2.13 Boquillas en recipientes a presión Todos los recipientes a presión deberán de estar provistos de boquillas y conexiones de entrada y salida del producto, válvula de seguridad, entrada de hombre, venteo, etc; A continuación se enlistan algunas boquillas que se han considerado para este trabajo:

a) Válvula de llenado b) Válvula de seguridad c) Drene d) Entrada de hombre e) Conexión para manómetro f) Conexión para termómetro g) Conexiones para indicadores de nivel

En concordancia con el Código A.S.M.E. Sección VIII División 1, todas las boquillas mayores de 3 pulgadas de diámetro, instaladas en recipientes a presión deberán tener una placa de refuerzo en la unión del cuello de la boquilla con el recipiente. En México, se ha hecho una costumbre reforzar también las boquillas de 3 pulgadas, lo cual es muy aconsejable. Todas las placas de refuerzo de boquillas de 12 pulgadas de diámetro y menores, deberán llevar un barreno de prueba de 1/4’’ de diámetro con cuerda NPT (National Pipe Thread), las placas de refuerzo de boquillas de 14’’ de diámetro y mayores, deberán tener 2 barrenos de prueba. Para instalar una boquilla, en un recipiente a presión, es necesario hacer un agujero en el cuerpo o tapa en que se va a instalar. Al efectuar este agujero estamos “quitando área” y las líneas de esfuerzo que pasaban por el área que quitamos pasarán tangentes al agujero practicado. Para evitar fallas en la periferia de donde practicamos el agujero, es necesario reponer el material que quitamos, lo anterior se realizara tomando en cuenta una placa de refuerzo para el recipiente. 2.13.1 Selección de bridas para boquillas Se recomienda que las boquillas de 1 ¼’’ de diámetro y menores sean instaladas por medio de coples roscados de 3000 y 6000 psi. Las boquillas de 1 ½’’ y mayores deberán ser bridadas. De acuerdo a la forma de unir las bridas a los cuellos de las boquillas, existen los siguientes tipos de bridas:

37

1.- Brida de cuello soldable (Welding Neck) 2.- Brida deslizable (Slip On) 3.- Brida de traslape (Lap Out) 2.13.2 Tubos de cédula Tabla 2.8 Tubos de cédula

38

Tabla 2.9 Tipos de bridas

2.14 Registro de hombre Cuando se requiere tener acceso al interior de un recipiente a presión, ya sea para

mantenimiento, carga o descarga de sólidos, etc., es necesario instalar en él un registro

de hombre. El diámetro mínimo para este tipo de registros es de 16”, aunque éste no es

muy recomendable porque dificulta el rápido acceso al interior del equipo, lo usual es

instalar registros de 18 0 20 pulgadas de diámetro.

39

Ya que al abrir un registro de este tipo los operadores tendrían que cargar la tapa y éstas

son muy pesadas, se recomienda instalar un pescante en la tapa de cada registro.

Los cuellos para los registros de hombre, deben ser calculados como los cilindros de

pared delgada. La tapa será una brida ciega comercial, del mismo material y rango que

las usadas en las demás boquillas del recipiente en cuestión.

Las placas de refuerzo, en los registros de hombre serán calculadas con el mismo criterio

como si se tratase de una boquilla cualquiera.

2.14.1 Cálculo de la brida para el registro de hombre Material: A 106 B ced 40 (VER ANEXO C): P= presión máxima de trabajo= 464 lb/in2 S= esfuerzo del material A 106 B=1500 psi Eficiencia de la soldadura= 0.85 D= diámetro interior t= Espesor requerido Propuesta dimensiones del registro: Dnom=24in Dext=32in Número de barrenos=20

Dbarreno= 11

4

Tubería ced 40 (VER ANEXO I): Espesor de pared de tubo tnom= 0.562in tmin=0.492in De acuerdo a la fórmula para presión máxima de trabajo:

𝑃 =2𝑆𝐸𝑡

𝐷+1.2𝑡….……………...........................................……...(Form 35)

Despejando el espesor t:

𝑡 =𝑃𝑅

𝑆𝐸−0.6𝑃….………………………….…………...……...(Form 36)

Sustituyendo datos, se tiene:

𝑡𝑟 =464 𝑝𝑠𝑖 (12𝑖𝑛)

15000𝑝𝑠𝑖−0.6(464𝑝𝑠𝑖= 0.446𝑖𝑛….……………......……...(Ec. 46)

Tomando en cuenta que el margen por corrosión es de 1/8in se tiene un espesor tr=0.466in + 0.125in = 0.571in; obteniendo un valor comercial t=0.625in

Sin corrosión

40

Cálculo del Espesor Real del Cuerpo

𝑡 = 𝑡𝑟 − 𝑐….……………...…………………………..…...(Ec. 37)

𝑡 = 0.625𝑖𝑛 − 0.125𝑖𝑛 = 0,5𝑖𝑛….……………...…....(Ec. 47)

Cálculo del Espesor del Cuello de Boquilla por Presión Interna

𝑡𝑟𝑛 =𝑃𝑅𝑛

𝑆𝐸−0.6𝑃….…………………………………....……...(Form 38)

Cálculo de 𝑅𝑛, si la boquilla es de 24’’ entonces:

𝑑 = 𝐷𝑒𝑥𝑡 − 2𝑡𝑛𝑜𝑚….……………...……...(Ec. 39)

𝑑 = 24𝑖𝑛 − 2(0.562𝑖𝑛) = 22.876𝑖𝑛….……………...……...(Ec. 48) Considerando el margen de corrosión y el valor de “d” será la suma del resultado y dos veces el ancho de margen

𝑑 = 22.876𝑖𝑛 − 2(0.125𝑖𝑛) = 23.126𝑖𝑛….……………...……...(Ec. 49)

𝑅𝑛 =𝑑

2= 11.563𝑖𝑛

A partir de este resultado y sustituyendo en la Fórmula 38, es posible hacer el cálculo de

𝑡𝑟𝑛

𝑡𝑟𝑛 =464𝑝𝑠𝑖 (11.563𝑖𝑛)

15000𝑝𝑠𝑖(0.85)−0.464….……………………...……...(Ec. 50)

𝑡𝑟𝑛 = 0.430𝑖𝑛 Espesor real de la boquilla:

𝑡𝑛 =𝐷𝑒𝑥𝑡 −𝑑

2….……………………………………...……...(Form 40)

𝑡𝑛 =24𝑖𝑛−23.126𝑖𝑛

2….……………………...……………...(Ec. 51)

𝑡𝑛 = 0.437𝑖𝑛 Cálculo de la penetración del cuello de boquilla de boquilla en el recipiente:

41

ℎ ≤ 𝐻2 − 2𝐶….……………………...……………………...(Form 41)

El valor de 𝐻2 se considerará el menor de las siguientes 2 ecuaciones: 𝐻2 = 2.5𝑡 = 2.5(0.5𝑖𝑛) = 1.25𝑖𝑛….………………-.……...(Ec. 52) 𝐻2 = 2.5𝑡𝑛 = (0.437𝑖𝑛) = 1.09𝑖𝑛….………………….…...(Ec. 53) Siguiendo con el cálculo de la penetración

ℎ ≤ 1.09 − 2(0.125𝑖𝑛) = 0.84𝑖𝑛….……………………......(Ec. 54) ℎ = 0.84𝑖𝑛 Calculo de la altura límite de la boquilla que activa como refuerzo. Para obtener este valor se toma el menor de los valores dados por las siguientes dos ecuaciones:

𝐻 = 2.5𝑡….……………………...…………………………..(Form 42) 𝐻 = 2.5(0.5𝑖𝑛) = 1.25𝑖𝑛….………………………...……...(Ec. 55) 𝐻 = 2.5𝑡𝑛 + 𝑡𝑒 ….……………………...…………………...(Form 43) 𝐻 = 2.5(0.437𝑖𝑛) + 0.625𝑖𝑛 = 1.717𝑖𝑛….………...……...(Ec. 56)

𝑯 = 𝟏. 𝟐𝟓𝒊𝒏 Calculo del radio de la placa de refuerzo. Se toma el mayor de los valores que se dan en las siguientes dos ecuaciones: W=d………..…………..………………………………........(Form 44) W=23.126in………..…………………………...………......(Ec. 57)

W= d/2 + 𝑡𝑛 + t………..…………..…………………….......(Form 45) W=23.126/2 +0.437 +0.5=12.5in………..……………......(Ec. 58) W=23.126in Area del agujero del recipiente:

𝐴 = 𝑑𝑡𝑟….…………………………………………...……...(Form 46)

𝐴 = 23.126𝑖𝑛 (0.446𝑖𝑛) = 10.314𝑖𝑛2….……..…...……...(Ec. 59) Áreas de refuerzo A1 será la mayor de las ecuaciones siguientes:

𝑨𝟏 = (𝒕 − 𝒕𝒓)𝒅 = 𝟏. 𝟐𝟒𝟖𝒊𝒏𝟐….…………………….....…...(Ec. 60)

𝐴1 = (𝑡 − 𝑡𝑟)(𝑡𝑛 + 𝑡) = 0.05𝑖𝑛2….………………………...(Ec. 61) A2 será la menor de las ecuaciones siguientes:

𝐴2 = (𝑡𝑛 + 𝑡𝑟)5𝑡 = 0.017𝑖𝑛2….……………………...….....(Ec. 62)

𝑨𝟐 = (𝒕𝒏 + 𝒕𝒓)𝟓𝒕𝒏 = 𝟎. 𝟎𝟏𝟓𝒊𝒏𝟐….………………….……...(Ec. 63)

𝑨𝟑 𝒔𝒆 𝒄𝒂𝒍𝒄𝒖𝒍𝒂 𝒄𝒐𝒎𝒐 𝒔𝒊𝒈𝒖𝒆:

42

𝑨𝟑 = 𝟐𝒉(𝑡𝑛 − 𝑐)….…………………………………..……...(Form 47)

𝑨𝟑 = 2(0.84)(0.43 − 0.125) = 𝟎. 𝟓𝟐𝟒𝒊𝒏𝟐….……….……...(Ec. 64)

𝑨𝟒 𝒔𝒆 𝒅𝒂 ∶

𝑨𝟒 =𝟒𝑡𝑛

2

𝟐….…………………………………………....…...(Form 48)

𝑨𝟒 =𝟒(𝟎.𝟒𝟑𝟕)𝟐

𝟐= 𝟎. 𝟑𝟖𝟏𝒊𝒏𝟐 ..……………….……...(Ec. 65)

𝑨𝟓 𝒔𝒆 𝒄𝒂𝒍𝒄𝒖𝒍𝒂

𝑨𝟓 = 𝑨 − (𝜮𝑨𝟏 − 𝑨𝟒)….…….………………………....…...(Form 49)

𝑨𝟓 = 𝟏𝟎. 𝟑𝟏𝟒 − (𝟎. 𝟏𝟐𝟒𝟖 + 𝟎. 𝟎𝟏𝟓 + 𝟎. 𝟓𝟐𝟒 + 𝟎. 𝟑𝟖) = 𝟖. 𝟏𝟒𝟓𝒊𝒏𝟐

𝐷𝑝 =𝐴5

𝑡𝑒+ 𝑑 + 𝑡𝑛….………..………………………....…...(Form 50)

𝐷𝑝 =8.145

0.625+ 23.126 + 2(0.437) = 37.03….……….....…...(Ec. 66)

Calculo brida para el registro de hombre

∅𝑖𝑛𝑡 = ∅𝑁𝑂𝑀 − 2𝑡𝑁𝑂𝑀….………..………………..…....…...(Form 51)

∅𝑖𝑛𝑡 = 24𝑖𝑛 − 2(0.562𝑖𝑛) = 22.876𝑖𝑛..……………....…...(Ec. 67)

∅𝑒𝑥𝑡 = 32"

∅𝑏𝑎𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜 = 11

4"

Ancho del empaque

𝑁 =32−22.876

2= 4.5𝑖𝑛….………..…………………………...(Ec. 68)

Ancho real del empaque

𝑏𝑜 =3𝑁

8….………..………………………………….......…...(Form 52)

𝑏𝑜 =3(4.562)

8= 1.71𝑖𝑛….………..…………………….........(Ec. 69)

Cuando

𝑏0 > 0.257𝑖𝑛

𝑏0 = √1.71𝑖𝑛

2= 0.65"….………..……………………....…...(Ec. 70)

Se utilizará un empaque de asbesto con un ligado aceptable a las condiciones de

operación.

Donde se tendrá Y=1600(esfuerzo de Y) y m=2 (factor de empaques, estos factores se

observan en la figura 20).

43

Localización de cara de reacción

𝐺 =32+22.876

2= 27.438𝑖𝑛….………..………….……....…...(Ec. 71)

2.14.2 Cálculo de espesor de la tapa plana.

Para esto se tienen las siguientes premisas

-La tapa ciega, sin aberturas o boquillas

-será calcular

-Estará regulada por ANSI B 165

-Se considera margen de corrosión

Carga total en los tornillos, se tomara el valor más grande entre 𝑊𝑚1 y 𝑊𝑚2

Wm1 = 0.785𝐺2𝑃 + 2𝑏𝜋𝐺𝑚𝑃….……..……………....…...(Form 53)

Wm1 = (0.785)(27.438)2(130) +0.65𝜋(27.438)(2)(130)….………..……………………......(Ec. 72) Wm1 = 10592.98lb 𝑊𝑚2 = 𝜋𝑏𝐺𝑦….………..……………………....………......(Form 54) 𝑊𝑚2 = 𝜋(0.65)(27.438)(1600)….………..………....…...(Ec. 73) 𝑊𝑚2 = 89646.98𝑙𝑏

𝑊 = 𝑊𝑚1 = 105962.98𝑙𝑏 Se usaran tornillos SA-193 con un esfuerzo máximo permisible de Sa=25ksi El brazo de palanca, distancia radial de la línea de centro de barrenos a la línea de reacción del empaque.

∅𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜𝑠 = 29.5𝑖𝑛

ℎ𝑔 =∅𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜𝑠−𝑑

2………..…………....………......(Form 55)

ℎ𝑔 =29.5−23.126

2………..……………………....……….........(Ec. 74)

ℎ𝑔 = 3.187𝑖𝑛

𝐶´ = 0.3 Primero

𝑡 = 𝑑√𝐶´𝑃

𝑆𝐸= 23.126 √

0.3(130)

12700(0.85)= 1.28𝑖𝑛……………......(Ec. 75)

Segundo:

𝑡 = 𝑑√𝐶´𝑃

𝑆𝐸+

1.9𝑊ℎ𝑔

𝑆𝐸𝑑3………..…………………....………......(Form 56)

44

𝑡 = 𝑑√(0.3)(130)

(12700)(0.85)+

1.9(105962.98)(3.184)

(12700)23.1263 ………...………......(Ec. 76)

𝑡 = 2.12𝑖𝑛 sin 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖𝑜𝑛

𝑡 = 1.4509 + 0.125 = 2.25 𝑖𝑛 𝑐𝑜𝑛 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖𝑜𝑛.

𝑡 = 27.5√1.9(295412.5)(1)

25000(27.5)3= 0.903𝑖𝑛 sin 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖𝑜𝑛……...(Ec. 77)

𝑡 = 0.903 + 0.060 = 0.966𝑖𝑛 𝑡 = 1.51>0.956 Para el sello del empaque

W=𝐴𝑚,+𝐴𝑏

2∗ 𝑆𝑎………..……………………....…………......(Form 57)

Área transversal requerida

𝐴𝑚1 =𝑊

𝑆𝑎=

105962.98𝑙𝑏

25𝑥103𝑙𝑏

𝑖𝑛2

= 4.23𝑖𝑛2………..……………......(Ec. 78)

Área del tornillo

𝐴𝑏 = 0.95𝑖𝑛2 𝑝𝑜𝑟 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜

𝐴𝑏 = 20(0.95) = 19𝑖𝑛2

𝑊 =𝐴𝑚+𝐴𝑏

2𝑆𝑎………..……………………....…………......(Form 58)

𝑊 = (4.23+19

2) (25000) = 290375𝑖𝑏………..…………......(Ec. 79)

Para la última condición P=0 se calculara t con la condición de que debe ser menor al espesor que se obtuvo t=2.25in

𝑡 = 𝑑√1.9𝑊ℎ𝑔

𝑆𝐸𝑑3 ………..……………………....………..…......(Form 59)

𝑡 = 23.126√1.9(105962.98)(3.187)

25000(0.85)231263 ………..…..…....………......(Ec. 80)

𝑡 = 1.89 sin 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖𝑜𝑛

𝑡 = 1.89 + 0.125 = 2𝑖𝑛 𝑡 = 2.25 𝑒𝑠 𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟 𝑎 𝑡 = 2" POR LO TANTO EL DISEÑO ES SATISFACTORIO

2.15 Boquilla de 5 pulgadas (válvulas de llenado y drenaje) (Ver anexo H) Material: A 106 B ced 120 P= presión máxima de trabajo= 1767 lb/in2 S= esfuerzo del material A 106 B=1500 psi Eficiencia de la soldadura= 0.85 D= diámetro interior t= Espesor requerido

45

Propuesta dimensiones del registro: Dnom=5in Tubería ced 120 Espesor de pared de tubo tnom= 0.5 in tmin=0.438 in De acuerdo a la fórmula para presión máxima de trabajo fórmula 35 y sustituyendo datos, se tiene:

𝑡𝑟 =1767 𝑝𝑠𝑖 (2.5𝑖𝑛)

15000𝑝𝑠𝑖(0.85)−0.6(1767𝑝𝑠𝑖)………..…………..………......(Ec. 81)

𝑡𝑟 = 0.377 𝑖𝑛 𝑆𝑖𝑛 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖ó𝑛 Tomando en cuenta que el margen por corrosión es de 1/8in se tiene un espesor tr=0.377in + 0.125in = 0.502 in; obteniendo un valor comercial t=0.625in Cálculo del espesor real del cuerpo

𝑡 = 𝑡𝑒 − 𝑐………..…………..………………………..…......(Form 60)

𝑡 = 0.625𝑖𝑛 − 0.125𝑖𝑛 = 0,5𝑖𝑛………..………….……......(Ec. 82) Cálculo del espesor del cuello de boquilla por presión interna, de acuerdo a la fórmula 38:

Calculo de 𝑅𝑛, si la boquilla es de 5’’ entonces:

𝑑 = 5𝑖𝑛 − 2(0.5𝑖𝑛) = 4𝑖𝑛………..…………..…...……......(Ec. 83) Considerando el margen de corrosión y el valor de “d” será la suma del resultado y dos veces el ancho de margen

𝑑 = 4𝑖𝑛 + 2(0.125𝑖𝑛) = 4.25𝑖𝑛………..………………......(Ec. 84)

𝑅𝑛 =𝑑

2= 2.125 𝑖𝑛

A partir de este resultado, es posible hacer el cálculo de 𝑡𝑟𝑛

𝑡𝑟𝑛 =1767𝑝𝑠𝑖 (2.125𝑖𝑛)

15000𝑝𝑠𝑖(0.85)−0.6(1767 𝑝𝑠𝑖)………..………...………......(Ec. 85)

𝑡𝑟𝑛 = 0.321𝑖𝑛 Siguiendo la fórmula 40 para el espesor real de la boquilla:

𝑡𝑛 =5𝑖𝑛−4.25𝑖𝑛

2………..…………..…………………...…......(Ec. 86)

𝑡𝑛 = 0.375𝑖𝑛

46

Cálculo de la penetración del cuello de boquilla de boquilla en el recipiente con base a la fórmula 41:

ℎ ≤ 𝐻2 − 2𝐶

El valor de 𝐻2 se considerará el menor de las siguientes 2 ecuaciones:

𝐻2 = 2.5𝑡 = 2.5(0.5𝑖𝑛) = 1.25𝑖𝑛………..……………....,,..(Ec. 87) 𝐻2 = 2.5𝑡𝑛 = 2.5(0.375𝑖𝑛) = 0.937𝑖𝑛………..……..…......(Ec. 88) Siguiendo con el cálculo de la penetración

ℎ ≤ 0.937 − 2(0.125𝑖𝑛) = 0.687𝑖𝑛………..……………......(Ec. 89)

ℎ = 0.687𝑖𝑛 Cálculo del radio de la placa de refuerzo con base en las formulas 44 y 45. Se toma el mayor de los valores que se dan en las siguientes dos ecuaciones: W=d=4.25in………..……………………………………......(Ec. 90)

W= d/2 + 𝑡𝑛 + t=4.25/2 +0.375 +0.5=3in………..……......(Ec. 91) W= 4.25in Área del agujero del recipiente fórmula 44:

𝐴 = 4.25𝑖𝑛 (0.377𝑖𝑛) = 1.602 𝑖𝑛2………..……………......(Ec. 92) Áreas de refuerzo A1 será la mayor de las ecuaciones siguientes:

𝑨𝟏 = (𝒕 − 𝒕𝒓)𝒅 = 𝟎. 𝟓𝟐𝟐𝒊𝒏𝟐………..…………..………......(Ec. 93)

𝐴1 = (𝑡 − 𝑡𝑟)(𝑡𝑛 + 𝑡) = 0.107𝑖𝑛2………..…………..…......(Ec. 94) A2 será la menor de las ecuaciones siguientes:

𝐴2 = (𝑡𝑛 + 𝑡𝑟)5𝑡 = 0.135𝑖𝑛2………..……………….…......(Ec. 95)

𝑨𝟐 = (𝒕𝒏 + 𝒕𝒓)𝟓𝒕𝒏 = 𝟎. 𝟏𝟎𝟏𝒊𝒏𝟐………..…………….…......(Ec. 96)

𝑨𝟑 𝒔𝒆 𝒄𝒂𝒍𝒄𝒖𝒍𝒂 𝒄𝒐𝒏 𝒃𝒂𝒔𝒆 𝒂 𝒍𝒂 𝒇𝒐𝒓𝒎𝒖𝒍𝒂 𝟒𝟕:

𝑨𝟑 = 2(0.687)(0.375 − 0.125) = 𝟎. 𝟑𝟒𝟑𝒊𝒏𝟐……….…......(Ec. 97)

𝑨𝟒 𝒅𝒆 𝒂𝒄𝒖𝒆𝒓𝒅𝒐 𝒂 𝒍𝒂 𝒇ó𝒓𝒎𝒖𝒍𝒂 𝟒𝟖 𝒔𝒆𝒓á ∶

𝑨𝟒 =𝟒(𝟎.𝟑𝟕𝟓)𝟐

𝟐= 𝟎. 𝟐𝟖𝒊𝒏𝟐………..…………….…...............(Ec. 98)

47

𝑨𝟓 𝒅𝒆 𝒂𝒄𝒖𝒆𝒓𝒅𝒐 𝒂 𝒍𝒂 𝒇ó𝒓𝒎𝒖𝒍𝒂 𝟒𝟗 𝒔𝒆 𝒄𝒂𝒍𝒄𝒖𝒍𝒂

𝑨𝟓 = 𝟏. 𝟔𝟎𝟐 − (𝟎. 𝟓𝟐𝟐 + 𝟎. 𝟏𝟎𝟏 + 𝟎. 𝟑𝟒𝟑 + 𝟎. 𝟐𝟖)……....(Ec. 99)

𝑨𝟓 = 𝟎. 𝟑𝟓𝟔𝒊𝒏𝟐 Diámetro de la placa de refuerzo según la fórmula 50

𝐷𝑝 =0.356

0.625+ 4.25 + 2(0.375) = 5.584 𝑖𝑛………..…..…......(Ec. 100)

2.16 Accesorios del recipiente

2.16.1 Manómetro De Wit (VER ANEXO B)

Exactitud: +/- 2% del total de la escala Elemento: Tubo burdon de bronce Conexión: bronce 1/8’’ NPT inferior y posterior al centro Mecanismo: bronce Caja: lámina de acero esmaltado negro Bisel: A presión de lámina de acero esmaltado negro Ventana: Acrílico Carátula: Aluminio fondo blanco, números negros Aguja: Aluminio esmaltado negro Tamaño: 1 ½’’ diámetro Rango: Doble escala (kg/cm2 y psi) 0-450psi 2.16.2 Termómetro De Wit (VER ANEXO E) Exactitud: +/- 1% del total de la escala Elemento: Espiral de acero actuado por tensión de gas Conexión: Con compensador de temperatura ambiental Mecanismo: Acero inoxidable AISI 304 Caja: Acero inoxidable AISI 304 Carátula: Aluminio fondo blanco, números negros Aguja: Aluminio esmaltado negro Bulbos: acero, bronce, acero inoxidable Fluido: glicerina Tamaño: 1 ½’’ diámetro Rango: -200oC hasta 600oC

48

2.16.3 Válvula de seguridad (o alivio) (VER ANEXO H)

Figura 2.10 Válvula de seguridad Válvula marca Walworth, para control de líquidos fabricada en acero al carbón, conexión de 1 ½’’ roscada. Ajuste de presión desde 250lbs hasta 400lbs 2.16.4 Indicador de nivel (VER ANEXO D) Micropilot NMR84 Rango de medición: máx 18ft Conexión 2’’ NPT Material: acero inoxidable Presión máx: 290psig Temperatura máx: 350F Precisión: 0.4-0.8’’

49

CAPITULO III

Procesos de Soldadura y Pruebas de Ingeniería en

el Recipiente

En este capítulo se describen los procesos de soldadura que se deben llevar a cabo, así como aquellas pruebas de ingeniería que respaldaran el uso integral del equipo asegurando el mejor desempeño de este.

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El procedimiento más utilizado actualmente en la fabricación de recipientes a presión es el de soldadura, el cual eliminó el sistema de remachado que se usó hasta hace algunos años. Todas las soldaduras serán aplicadas mediante el proceso de arco eléctrico sumergido, el cual puede ser manual o automático. En cualquiera de los dos casos, deberá tener penetración completa y se deberá eliminar la escoria dejada por un cordón de soldadura, antes de aplicar el siguiente. Con el fin de verificar si una soldadura ha sido bien aplicada se utilizan varias formas de inspección, entre ellas está el radiografiado, la prueba de líquidos penetrantes y algunas veces se utiliza el ultrasonido. La prueba más comúnmente utilizada es el radiografiado, éste puede ser total o por puntos. Cuando practicamos el radiografiado por punto en recipientes a presión, debemos tomar por lo menos, una radiografía por cada quince metros de soldadura y la longitud de cada radiografía será de 15centímetros como mínimo. La eficiencia de las soldaduras está mostrada en el inicio del presente trabajo, en ella se dan los diferentes valores de la eficiencia (E) que debemos usar en los cálculos de acuerdo con el tipo de unión. Antes de aplicar cualquier soldadura, en recipientes a presión, debemos preparar un procedimiento de soldadura para cada caso en particular, el cual nos indica la forma, diámetro del electrodo, etc; para cada tipo y espesor de material. Debemos también hacer pruebas a los soldadores para asegurarnos que la soldadura será aplicada por personal debidamente calificado. Estas pruebas y procedimientos deberán apegarse estrictamente a las recomendaciones hechas por el Código A.S.M.E. sección IX “Welding and brazing qualifications” El material de aporte de la soldadura deberá ser compatible con el material base a soldar. Los electrodos más comúnmente utilizados para soldar recipientes a presión de acero al carbón son el 6010 y el 7018 Cuando aplicamos soldadura en recipientes a presión de acero inoxidable, es necesario utilizar gas inerte y se recomienda pasivar las soldaduras con una solución a base de ácido nítrico y ácido clorhídrico. Debemos tratar de evitar los cruces de dos o más cordones de soldadura. La distancia mínima entre dos cordones paralelos será de 5 veces el espesor de la placa, sin embargo cuando sea inevitable el cruce de dos cordones, el código ASME, Sección VIII División, nos recomienda radiografiar una distancia mínima de 103 milímetros a cada lado de la intersección. Se recomienda no aplicar soldadura a un recipiente a presión después de haber sido relevado de esfuerzos.

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Por las norma UW.11 Radiographic and ultrasonic examination and UW-12 Joint Efficiencies

3.1 Soldabilidad Los materiales usados para fabricar recipientes a presión, deben tener buenas propiedades de soldabilidad, dado que la mayoría de sus componentes son de construcción soldada. Para el caso en que se tengan que soldar materiales diferentes entre sí, estos deberán ser compatibles en lo que a soldabilidad se refiere. Un material, cuanto más elementos de aleación contenga, mayores precauciones deberán tomarse durante los procedimientos de soldadura, de tal manera que se conserven las características que proporcionan los elementos de aleación.

Figura 3.1 Símbolos básicos para la representación gráfica de soldaduras

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Figura 3.2 Continuación de símbolos básicos para la representación gráfica de soldaduras

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Figura 3.3 Símbolos básicos de soldadura de arco y gas

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Figura 3.4 Soldadura en boquillas

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Figura 3.5 Soldadura en placas

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Figura 3.6 Soldadura de unión tapas y cuerpo

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Figura 3.7 Soldadura en los soportes

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Figura 3.8 Soldadura en las orejas de izaje

3.2 Pintura en el recipiente a presión El propósito de la pintura en los recipientes a presión es la preservación de la superficie del material, ya que la pintura retarda los efectos de corrosión y previene el contacto de agentes corrosivos.

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La pintura debe ser resistente a los efectos del ambiente como calor, impacto, abrasión, y acción química. 3.2.1 Preparación de la superficie El primer requisito para un buen trabajo de pintura en los recipientes a presión es remover el polvo, oxido, suciedad, grasa, aceite, o cualquier agente extraño a la superficie del material. 3.2.2 Consideración económica La selección de la pintura y limpieza de la superficie más que un aspecto técnico es un problema de carácter económico. El costo de la pintura es normalmente, 25 a 30% más bajo que el costo para pintar estructuras, por lo que el uso de pinturas de alta calidad tiene ventajas aparentes. El sesenta por ciento del costo del proceso de pintado del recipiente recae en la preparación de la superficie del mismo. 3.2.3 Selección de un sistema de pintura Para el presente proyecto se han tomado en cuenta las superficies y recomendaciones del Steel Structure Painting Council. 3.2.4 Condiciones especiales Abrasión: Para contrarrestar efectos de abrasión se recomienda la sección de pinturas epóxicas y de vinil debido a que presentan buena resistencia ala abrasión. También las pinturas fenólicas son aceptables para este fin. 3.2.5 Temperaturas altas y tipo de pintura a utilizar Cuando se tiene una temperatura de operación por debajo de los 600F es recomendable el uso de tratamientos de fosfato para obtener una superficie adecuada. Para el trabajo presente, la pintura a utilizar será de color blanco a base de resina sintética. 3.2.6 Cantidad de pintura necesaria Teóricamente, un galón de pintura cubre 1600 ft2 de superficie. Una vez seca la pintura, el espesor que se tendrá estará determinado por la cantidad de sólidos contenidos en la pintura. Para nuestro recipiente el porcentaje de solidos es de 48% por lo que un galón de pintura nos cubrirá una superficie igual a 1600 (0.48)= 768ft

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3.3 Pruebas en recipientes a presión Durante la fabricación de cualquier recipiente a presión, se efectúan diferentes pruebas para llevar a cabo un control de calidad aceptable, estas pruebas son, entre otras: radiografiado, pruebas de partículas magnéticas, ultrasonido, prueba con líquidos penetrantes, etc. Este tipo de pruebas, como se mencionó anteriormente son efectuadas durante la fabricación y el departamento de control de calidad de cada compañía es responsable de que éstas pruebas se lleven a cabo. En este capítulo se describe de una manera muy breve, las pruebas que se le deberá aplicar al recipiente sometido a presión una vez que se han terminado de fabricar, esta prueba se denomina prueba hidrostática, puesto que generalmente es el tipo de prueba que se aplica, aunque también existe la prueba neumática. 3.3.1 Prueba hidrostática Consiste en someter el recipiente a presión una vez terminado a una presión 1.5 veces la presión de diseño y conservar esta presión durante un tiempo suficiente para verificar que no haya fugas en ningún cordón de soldadura, como su nombre lo indica, esta prueba se lleva a cabo con líquido, el cual generalmente es agua. Cuando se lleva a cabo una prueba hidrostática en un recipiente a presión, es recomendable tomar las siguientes precauciones:

a) Por ningún motivo debe excederse ,a presión de prueba señalada en la placa b) En recipientes de presión usados, con corrosión en cualquiera de sus

componentes, deberá reducirse la presión de prueba proporcionalmente. c) Siempre que sea posible, evitar hacer pruebas neumáticas, porque además de ser

peligrosas, tienden a dañar los equipos. 3.3.2 Prueba neumática Las diferencias básicas entre este tipo de pruebas y la prueba hidrostática consiste en el valor de la presión de prueba y el fluido a usar en la misma, la presión neumática de prueba es alcanzada mediante la inyección de gases. Como ya se dijo con anterioridad, no se recomienda efectuar este tipo de pruebas, sin embargo, cuando se haga indispensable la práctica de este tipo de prueba se deberán tomar las siguientes precauciones: 1.- las pruebas neumáticas deben sobrepasar con muy poco la presión de operación, el código ASME recomienda que la presión de la prueba neumática sea como máximo 1.25 veces la presión de trabajo permisible y definitivamente deben evitarse en recipientes a presión usados.

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2.- En las pruebas neumáticas con gases diferentes al aire deben usarse gases no corrosivos, no tóxicos, incombustibles y fáciles de identificar cuando escapan. El ferón es un gas recomendable para efectuar las pruebas neumáticas. 3.- La mayoría de los gases para pruebas neumáticas se encuentran en recipientes a muy alta presión, por lo tanto es indispensable que se extremen las precauciones al transvasarlos al recipiente a probar, pues puede ocurrir un incremento excesivo en la presión de prueba lo cual es sumamente peligroso. 3.3.3 Prueba de elasticidad Esta prueba, cuando se efectúa, se lleva a cabo de manera simultánea con la prueba hidrostática. Su objetivo es verificar el comportamiento elástico del material de fabricación del recipiente y el procedimiento para llevarla a cabo se describe a continuación: 1.-primeramente se llena el recipiente a probar con agua hasta que el punto más alto del recipiente escape el agua una vez que se haya abierto el venteo. 2.- cerramos la válvula de venteo y comenzamos a inyectar agua a fin de elevar la presión, el agua introducida para este fin la tomaremos de una bureta graduada para cuantificar de manera exacta el agua que inyectamos para levantar la presión hasta alcanzar el valor de la presión de prueba. 3.- se mantendrá la presión de prueba durante el tiempo suficiente para verificar que no haya fugas y posteriormente se baja la presión hasta tener nuevamente la presión atmosférica en el recipiente. Es sumamente importante recoger el agua sacada para bajar la presión, puesto que se comparará este volumen con el inyectado para aumentar la presión y esta comparación nos indicará si las deformaciones sufridas por el recipiente mientras se sometió a la prueba superaron el límite elástico.

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CAPITULO IV

Planos de Ingeniería Finales

En este capítulo presentan los planos de ingeniería de todos los elementos que conforman el recipiente a presión.

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CAPITULO V

Análisis y Evaluación del Funcionamiento del

Modelo Digital

En este capítulo se desarrolla de manera digital los análisis de ingeniería asistidos por computadora de cada uno de los componentes a través de paquetes computacionales de ingeniería.

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5.1 Análisis por elemento finito El análisis por elemento finito (FEA, siglas en inglés de Finite Element Analysis) es una técnica de simulación por computador usada en ingeniería. Usa una técnica numérica llamada método de elementos finitos (FEM). La simulación utiliza el método de formulación de desplazamientos de elementos finitos para calcular desplazamientos, deformaciones y tensiones de los componentes con cargas internas y externas. La formulación que se propone por medio del uso del método de elementos finitos, permite que el problema sea planteado como una serie de ecuaciones algebraicas simultaneas, en lugar de requerir la resolución de ecuaciones diferenciales complejas, pero, dado que el problema tiene que ser discretizado, este método numérico, al igual que todos los métodos numéricos, arrojan valores aproximados de las incógnitas en un número finito de locaciones dentro del cuerpo, las cuales dependen directamente, del número de elementos usados para la discretización de la pieza. La discretización, es el proceso de modelación de un cuerpo que consiste en la división equivalente del mismo, en un sistema conformado por cuerpos más pequeños (elementos finitos) tales como elementos tetraédricos (3D), triangulares (2D) y de vigas, y se resuelve con un solver Direct Sparse o iterativo, interconectados por medio de puntos comunes o nodos, formando superficies y así se comportan como volúmenes de control independientes, los que a su vez son afectados por las condiciones de frontera que afecten al cuerpo estudiado como un todo. 5.1.1 Simulación de los elementos del recipiente a presión sometidos a esfuerzos A continuación se mostrarán las imágenes de la simulación hecha por elemento finito al recipiente a presión, orejas de izaje y silletas.

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Figura 5.1 Presión aplicada sobre las silletas

Figura 5.2 Deformación total sobre las silletas

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Figura 5.3 Esfuerzo de Von Mises en las silletas

Figura 5.4 Esfuerzo cortante máximo sobre las silletas

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Figura 5.5 Presión interna en el recipiente

Figura5.6 Arreglo de malla para el recipiente a presión

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Figura 5.7 Esfuerzo de Von Mises en el recipiente a presión

Figura 5.8 Esfuerzo principal en el recipiente a presión

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Figura 5.9 Esfuerzo cortante máximo en el recipiente a presión

Figura 5.10 Deformación total en el recipiente a presión

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Figura 5.11 Esfuerzo de Von Mises en orejas de izaje

Figura 5.12 Esfuerzo principal en las orejas de izaje

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Figura 5.13 Deformación total en las orejas de izaje

Figura 5.14 Vista frontal de la deformación total en las orejas de izaje

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5.2 Conclusiones

Al comienzo del presente trabajo se determinó un objetivo, a partir del cual se desenvolvió el desarrollo de toda la obra. Ahora, para culminar, solo queda hacer mención de los resultados obtenidos, y para hacerlo, nos apoyaremos de las siguientes tablas que nos servirán como un apoyo visual, concreto y rápido de los esfuerzos principales obtenidos: Tabla 6.1 Registro de esfuerzos calculados y esfuerzos obtenidos del análisis por elemento finito en el recipiente a presión

Esfuerzos Calculados en el Recipiente (PSI)

Esfuerzos en el Recipiente por Elemento Finito (PSI)

E. Longitudinal SL: 5825.6 E. Von Mises: 14676.3687

E. Circunferencial SC: 11651.2 E. Principal: 14996.9020

E. Cortante Tangencial en el Casco S2: 302.38

E. Cortante Máximo: 7891.0682

Tabla 6.2 Registro de esfuerzos calculados y esfuerzos obtenidos del análisis por elemento finito en las silletas

Esfuerzos Calculados en las Silletas (PSI) Esfuerzos en las Silletas por Elemento Finito (PSI)

E. a Flexión Longitudinal en las Silletas a Tensión S1: 263.05

E. Von Mises; 0.461249

E. Circunferencial en el cuerno de la silleta S4: -968.65

E. Cortante Máximo: 0.25873

E. en la parte Inferior de la Silleta S5: -667.6

Recordemos que los resultados expuestos fueron obtenidos por métodos distintos: en la columna izquierda se muestran aquellos que fueron obtenidos a través del método analítico, aquel en el que se hace uso de la pluma, el papel y una calculadora. Mientras que la columna derecha exhibe los cálculos arrojados por el software utilizado (ANSYS) para el cálculo de los mismos esfuerzos hechos previamente de forma analítica. Como el lector podrá ver, la variación de los resultados obtenidos difiere bastante, tan es así que, como ejemplo, el esfuerzo cortante tangencial en el casco obtenido analíticamente, es, aproximadamente veintiséis veces más pequeño que aquel que se

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obtuvo por el uso del elemento finito. Ahora bien, la diferencia tan considerable entre ambos métodos radica en que en el momento de hacer el análisis por elemento finito no se consideró la capacidad de las computadoras para hacer un mallado lo suficientemente pequeño (o fino) para que diera resultados más precisos. En síntesis, podemos decir, que el objetivo planteado al inicio de la investigación no se ha cumplido satisfactoriamente puesto que el diseño establecido y analizado causa incertidumbre debido a la variación de los resultados obtenidos. Continuar analizando el diseño de nuestro recipiente haría más extenso el presente trabajo, aunque no menos interesante, por lo cual se propone, al lector que deseé continuar con este proyecto de diseño, que proponga o establezca algún otro método de análisis (como el de la fotoelasticidad por ejemplo) y compare sus resultados obtenidos con los aquí expuestos para determinar los cambios o mejoras que se pueden hacer para obtener un diseño óptimo, eficiente y eficaz.

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BIBLIOGRAFÍA

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ANEXOS Anexo A: Tipos de acero y sus propiedades mecánicas

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Anexo B: Catálogo de manómetros Metron

http://dominion.com.mx/marca/METRON

(0-600psi)

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Anexo C: Modelos de bridas (registro de hombre) y sus dimensiones

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Anexo D: Sensor de nivel para tanque a presión

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Anexo E: Termómetros bimetálicos Dewit y sus características

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Anexo F: Empaque de asbesto, sus dimensiones y propiedades

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Anexo G: Tornillería en acero 316 inoxidable

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Anexo H: Catálogo válvulas de bola Nibco

Anexo I: Catálogo de tubería ced40

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Anexo J: Electrodos recubiertos 7018 y sus características

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Anexo K: Pintura pimex estructural y sus características

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Anexo L: Dimensiones estándar de silletas en base al diámetro del recipiente

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Anexo M: Tabla para obtener los valores de K para distintos ángulos de contacto

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GLOSARIO Acero: Aleación de metal (hierro) y un metaloide (carbón) que puede aparecer en diferentes porciones pero nunca superiores al 2% del total del peso del producto final. Brida: Elementos de línea de tuberías, destinados a permitir la unión de partes que conforman una instalación.

Casco: Elemento estructural hecho para circundar un espacio. La mayoría de los cascos son generados por la revolución de una curva plana. Cople: Manquito o casquillo que se utiliza para unir dos tubos. Corrosión: Erosión química causada por agentes con o sin movimiento. Es la destrucción gradual de un metal o aleación debido a procesos químicos como la oxidación o la acción de un agente químico. Elástico: Capaz de sostener esfuerzo sin deformación permanente; el término se usa también para designar conformidad con la ley de proporcionalidad de esfuerzo-deformación. Esfuerzo: Conjunto de fuerzas y momentos estáticamente equivalentes a la distribución de tensiones internas sobre el área de una sección. Esfuerzo circunferencial: Esfuerzo mecánico en elementos de forma cilíndrica o esférica, como resultado de una presión interna. Esfuerzo cortante: Esfuerzo interno de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma mecánico.

Junta: Pieza de cartón, caucho u otra materia compresible, que se coloca en la unión de dos tubos para impedir el escape del fluido que contiene. Presión absoluta: la presión medida desde el cero absoluto de presión que, teóricamente se obtiene en vacío o al cero absoluto de temperatura, para distinguirla de la presión manométrica. Presión de diseño: la presión que se usa para determinar el espesor mínimo permitido o las características físicas de las diferentes partes del depósito. Presión de operación: la presión a la que está sometido normalmente un depósito y que se localiza en su parte superior, no debe exceder de la presión máxima de trabajo permitida. Presión manométrica: la cantidad por la cual es mayor la presión absoluta que la presión atmosférica. Prueba: ensayo que sirve para comprobar que el recipiente es adecuado para la presión de diseño.

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Prueba hidrostática: el recipiente terminado una vez lleno con agua, debe someterse a una presión de prueba igual a 1.5 veces la presión máxima de trabajo permitida, la cual debe marcarse en el recipiente, o a 1.5 veces la presión de diseño, según acuerde el usuario y el fabricante. Prueba neumática: El recipiente terminado puede probarse con aire comprimido una vez de aplicarle la prueba hidrostática cuando no puede llenarse con agua bajo condiciones de seguridad o cuando no sean tolerables las trazas que pudieran quedar del líquido de prueba. La prueba a presión neumática debe hacerse a 1. 25 veces la presión máxima de operación permitida. Radiografía: Proceso de pasar radiaciones electrónicas a través de un objeto y obtener un registro de su estado interno sobre una película sensibilizada. Resistencia a la tensión: Esfuerzo máximo que puede soportar un material sometido a carga de estiramiento sin que falle. Silleta: Soporte de metal usualmente con nervaduras internas que sirve para base de recipientes a presión. Soldadura: Unión de metal producida por fusión con o sin aporte de metal y con o sin aplicación de presión. Temperatura de diseño: La temperatura media del metal (a través del espesor) que se espera bajo las condiciones de trabajo para la parte bajo consideración. Válvula de alivio: Una válvula que hace bajar la presión al rebasar un límite especificado y vuelve a cerrarse al volver a las condiciones de operación seguras. Válvula de compuerta: Válvula que tiene una compuerta, a menudo en forma de cuña, que deja pasar un fluido al ser levantada de su asiento.