pdvsa mdp-01-dp-01 temperatura y presion de diseÑo

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�1994

MDP–01–DP–01 TEMPERATURA Y PRESION DE DISEÑO

NOV.950 30

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

ESPECIALISTAS

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CRITERIOS DE DISEÑO

TEMPERATURA Y PRESION DE DISEÑONOV.950

PDVSA MDP–01–DP–01

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.Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Indice1 ALCANCES 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 REFERENCIAS 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 PRINCIPIOS BASICOS 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 DEFINICIONES GENERALES 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 TEMPERATURA DE DISEÑO 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Generalidades 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Definiciones 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Temperatura de diseño de equipos 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Temperatura de diseño de tuberías 14. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Flexibilidad de tuberías 14. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 PRESION DE DISEÑO 18. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Generalidades 18. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Definiciones 18. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Presión de diseño de equipos 20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Presión de diseño de tuberías 24. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Especificaciones de materiales de tuberías 27. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

http://www.intevep.pdv.com/santp

http://www.intevep.pdv.com/santp/mdp/indice_mdp.htm

http://www.intevep.pdv.com/santp/mdp/tempera/indice_tempera.htm

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1 ALCANCESEstablecer lineamientos para fijar la temperatura y la presión de diseño derecipientes a presión, tanques de almacenamiento, intercambiadores,equipos.generales y tuberías para nuevas plantas o instalaciones. Definir enforma consistente los variados términos relacionados con presión y termperaturaque se usan en el diseño y operación de plantas, con el fin de facilitar lacomunicación entre los diferentes ingenieros involucrados.

2 REFERENCIAS

Manual de Diseño de Procesos (MDP)

05–E–01 Intercambiadores de Calor: Principios Básicos

05–E–02 Intercambiadores de Calor: Procedimientos de Diseño paraIntercambiadores de Tubo y Carcaza

05–E–03 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño paraEnfriadores de Aire

05–E–04 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño paraIntercambiadores de Doble Tubo

05–E–05 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño paraServicios Criogénicos

05–S–01 Tambores Separadores: Principios Básicos

05–S–03 Tambores Separadores, Procedimientos de Diseño: SeparadoresLíquido–Vapor

05–S–04 Tambores Separadores, Procedimientos de Diseño: SeparadoresLíquido–Líquido

05–S–05 Tambores Separadores, Procedimientos de Diseño: SeparadoresLíquido–Líquido–Vapor

Manual de Ingeniería de Diseño (MID)

� Vol. 5 Equipos� Vol. 6 Equipos con Fuego� Vol. 8 Intercambiadores de Calor

� Vol. 13–1 H–221 Materiales de Tuberías� Vol. 14 Equipos Rotativos� Vol. 19 Tanques� Vol. 21 Recipientes a Presión� Vol. 22 Seguridad en Diseño




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Otras Referencias

� API RP 520 Sizing, Selection and Installation of Pressure–Relieving Devices inRefineries; Parts I and II

� API RP 521 Guide for Pressure–Relieving and Depressuring Systems� API STD 605 Large–Diameter Carbon Steel Flanges� API STD 620 Design and Construction of Large, Welded, Low–Pressure

Storage Tanks� API STD 650 Welded Steel Tanks for Oil Storage� API STD 2000 Venting Atmospheric and Low–Pressure Storage Tanks� ANSI B16.1 Cast Iron Pipe Flanges and Flanged Fittings, Class 25, 125, 250,

and 800� ANSI B16.5 Steel Pipe Flanges and Flanged Fittings� ANSI B16.34 Steel Valves� ASME B31.1 Power Piping (ANSI B31.1)� ASME B31.3 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping (ANSI B31.3)� ASME Code Boiler and Pressure Vessel Code:� Section I, Power Boilers� Section VIII, Pressure Vessels, Divisions 1 and 2

3 PRINCIPIOS BASICOSLa temperatura y la presión de diseño de un sistema afectan la seguridad, laconfiabilidad y la economía de la planta. La fijación de la temperatura y la presiónde diseño influencia o determina el material a utilizar, el espesor del componente,la flexibilidad de la tubería, la disposición de las unidades, los soportes, elaislamiento, la fabricación y las pruebas de los equipos y sistemas de tuberías aser instalados.

La temperatura y la presión de diseño deben ser establecidas de forma tal quesean adecuadas para cubrir todas las condiciones de operación previsibles,incluyendo arranque, parada, perturbaciones del proceso, incrementosplanificados en la severidad de operación, diferentes alimentaciones y productos,y ciclos de regeneración, cuando aplica. En muchos diseños, es necesario agregarun incremento de temperatura y presión a las condiciones normales de operación,para cubrir las variaciones de operación.

Se deben especificar condiciones alternas de diseño para equipos y tuberías quedeban estar sujetos a temperaturas y presiones mayores que las condicionesnormales de diseño. Un ejemplo típico de esto es la situación de regeneración decatalizador involucrada en procesos de lecho fijo. Aquí, el reactor y la tubería estánsujetos a una temperatura de operación alterna, superior a la temperatura deoperación normal, pero a una presión reducida. Diseños en base a lapsos cortos




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o intermedios de tiempo se pueden aplicar solamente a tuberías; para el caso derecipientes a presión o intercambiadores de calor, se deben seguir los códigos yprácticas de diseño apropiados.

En general, las condiciones de temperatura y presión de diseño para equipos deplanta (recipientes a presión, calderas, tanques, intercambiadores de calor,columnas, reactores, etc.), así como las condiciones generales de diseño paratubería son establecidas durante el desarrollo de la ingeniería básica, poringeniería de procesos, mientras que la selección del tipo específico de tubería autilizar se establece de acuerdo a las especificaciones de materiales de tuberíaque rigen el proyecto, las cuales se basan en la clasificación de presión de lasbridas según el tipo de material seleccionado para el manejo de un determinadofluído.

En lugar de definir condiciones de diseño separadas para cada uno de los equiposy sistemas de tuberías considerados en un proyecto, normalmente esrecomendable definir sistemas que esten expuestos a las mismas condiciones yprotegidos por el mismo arreglo de alivio de presión, lo cual permite una definicóncomún de las condiciones de diseño, resultando en un diseño coherente y de fácilseguimiento durante las fases de ingeniería de detalles, fabricación, construccióny prueba.

4 DEFINICIONES GENERALESA continuación se definen algunos términos generales relacionados con el temade la presente práctica de diseño, para una mayor claridad del texto:

Fluido de servicio

Según el ASME B31.3, “Fluido de Servicio” es un término general aplicado aldiseño de sistemas de tuberías, relacionado con la consideración de lacombinación de las propiedades del fluido, las condiciones de operación y otrosfactores que establecen las bases de diseño del sistema. La clasificación de losservicios es la siguiente:

a. Fluido de servicio categoría D

Para clasificar un fluido en esta categoría, todos los renglones siguientes debenaplicar:

a.1 El fluido considerado es no inflamable, no tóxico e inocuo para los tejidoshumanos.




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a.2 La presión manométrica de diseño no excede los 1030 kPa (150 psig),y

a.3 La temperatura de diseño está entre –29 °C (–20 °F) y 186 °C (366 °F).

b. Fluido de servicio categoría MEste es un servicio para el cual el potencial de exposición para las personas esconsiderado significativo, en el cual, una sola exposición a muy pequeñascantidades de un fluido tóxico causada por fugas en el sistema, puede producirdaño serio e irreversible a las personas, ya sea por inhalación o contacto, aúncuando se tomen medidas correctivas en forma inmediata.

c. Fluido de servicio de alta presiónEs un servicio para el cual el dueño del proyecto especifica un nivel de alta presión,de acuerdo con el Capítulo IX del ASME B31.3, para el diseño y la construcciónde las tuberías.

d. Fluido de servicio normalEste es el servicio de la mayor parte de los sistemas de tuberías cubiertos por elASME B31.3, los cuales no están sujetos a las reglas de los servicios descritos ena, b y c, y que no están sujetos a condiciones cíclicas severas.

Fluido inflamableDescribe un fluido que en condiciones ambientales o bajo las condiciones deoperación previstas es un vapor o produce vapores que pueden iniciar unacombustión y continuar con la misma en presencia de aire. El término puedeaplicar, dependiendo de las condiciones de servicio, a fluidos definidos para otrospropósitos como inflamables o combustibles.

TuberíaEs un sistema que consta de tubos, bridas, pernos, empacaduras, válvulas,accesorios, juntas de expansión, tensores, juntas giratorias, elementos parasoportar tuberías, y aparatos que sirven para mezclar, separar, amortiguar,distribuir, medir y controlar el flujo.

El diseño, la fabricación y la construcción de sistemas de tuberías están reguladospor códigos, de acuerdo a su uso; los principales códigos aplicables son:

ASME/ANSI B31.1 Power Piping

ASME/ANSI B31.3 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping

Tratamiento térmicoEs el calentamiento uniforme de una estructura, tubería, o porción de la misma,a una temperatura suficiente para aliviar la mayor parte de la tensión residual,seguido por un enfriamiento uniforme, suficientemente lento para minimizar eldesarrollo de nuevas tensiones residuales.




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5 TEMPERATURA DE DISEÑO

5.1 GeneralidadesLa temperatura de diseño de equipos y sistemas de tuberías se definegeneralmente como la temperatura correspondiente a la más severa condición detemperatura y presión coincidentes, a la que va a estar sujeto el sistema.De igualimportancia en el diseño y las especificaciones mecánicas son la temperaturamínima y, en algunos casos, otras temperaturas extremas que puedan ocurrir avacío o a bajas presiones de operación. Como todos estos niveles de temperaturade diseño, mínima y de operación extrema, tienen una influencia significativa enel diseño mecánico, en la selección del material, y en la economía de los sistemasconsiderados, es necesario para los diseñadores considerar cada uno de elloscuando se especifican las condiciones de diseño. Considerando estos factores,los diseñadores de proceso deben especificar la temperatura de diseño (querepresenta el máximo límite de temperatura) y la temperatura crítica de exposición(que representa el límite mínimo de temperatura) para todos los sistemas.

5.2 Definiciones

Temperatura de operación

Es la temperatura de fluido del proceso prevista para la operación normal.

Temperatura de operación máxima

Es la temperatura más alta del fluido del proceso prevista para las desviacionesesperadas de la operación normal. Esto incluye arranque, despresurización,parada, operaciones alternadas, requerimientos de control, flexibilidadoperacional y perturbaciones del proceso. La definición de esta temperatura debeser considerada individualmente, evaluando las causas que la determinan, ycualquiera que sea el caso determinante, se debe establecer en los documentosde diseño.

Temperatura de operación mínima

Es la temperatura más baja del fluido del proceso prevista para las desviacionesesperadas de la operación normal. Esto incluye arranque, despresurización,parada, operaciones alternadas, requerimientos de control, flexibilidadoperacional y perturbaciones del proceso. L a condición causante de la mínimatemperatura de operación debe ser establecida en los documentos de diseño.

Temperatura de diseño

Es la temperatura del metal que representa las condiciones coincidentes másseveras de presión y temperatura. Esta temperatura es utilizada para el diseñomecánico de equipos y tuberías, incluyendo la selección de materiales.. Esta




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temperatura de diseño debe ser al menos 10°C (18°F) superior a la temperaturade operación máxima, pero en ningún caso inferior que la máxima temperatura encasos de emergencia, como falla de servicios, bloqueo de operación, falla deinstrumentos, etc.

La temperatura de diseño de equipos y sistemas protegidos por válvulas de alivio,debe ser al menos la máxima temperatura coincidente con la presión de ajuste dela válvula de alivio respectiva.

Temperatura crítica de exposición (TCE)

Es la mínima temperatura de metal a la cual un componente estará sujeto, parauna presión mayor al 25 por ciento de la presión de diseño. Esto normalmenteocurre en los arranques y está basado en las condiciones mínimas del ambiente,a menos que ocurra una temperatura de operación más baja. La TCE debe seral menos tan baja como la temperatura de operación mínima.

Temperatura mínima de prueba hidrostática

Es la temperatura más baja a ser utilizada para el agua en una prueba hidrostática.Debería ser 6°C (11°F) más que la TCE para componentes con espesores igualeso menores de 50 mm (2 pulg), y al menos 17°C (31°F) más que la TCE paracomponentes con espesores mayores de 50 mm (2 pulg.).

5.3 Temperatura de diseño de equiposLa temperatura de diseño de los equipos a presión o a vacío se determinaestableciendo las condiciones más severas, simultáneas, de temperatura ypresión que ocurrirán en cualquier fase de las operaciones del proceso. Estatemperatura se usa en el diseño mecánico para establecer los niveles de esfuerzode diseño y determinar los espesores mínimos del metal que se requieren parasatisfacer los códigos u otros criterios mecánicos.

5.3.1 Equipos a temperaturas mayores que el ambiente

El incremento de temperatura utilizado para cubrir las variaciones de operaciónpara temperaturas de diseño hasta 400°C (752°F) no tiene restricciones cuandoel material es acero. La relación entre el esfuerzo permisible y la temperatura dediseño es lineal para el acero y el incremento de costo es aproximadamente linealdentro de este rango de temperatura. En este rango de temperatura se agreganormalmente un incremento de 28°C (50°F) a la temperatura de operación a finde establecer la temperatura de diseño, cuando no se tiene una temperatura deoperación máxima superior a la de operación normal.

A temperaturas superiores a 400°C (752°F), el esfuerzo permisible disminuyeabruptamente y el costo aumenta rápidamente. Para estas temperaturassuperiores se deben considerar alternativas económicas como la del aislamiento




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interno de los equipos o aleaciones especiales de acero. Además, el costo dealgunos equipos o unidades se puede minimizar con una selección cuidadosa dela presión y/o temperatura de diseño. Por ejemplo, la presión y la temperatura dediseño no se deben fijar arbitrariamente a un nivel alto, tal que se requiera unaclase siguiente superior de tubería o un material más costoso.

A continuación se presentan algunos factores que afectan la determinación de latemperatura de diseño para varios tipos de equipo, mencionando las prácticascomunes para definir la misma:

Recipientes a presión

1. Aislamiento – Muchos recipientes tienen aislamiento térmico paraprevenir las pérdidas de calor, proteger el personal, o suministrarprotección contra incendios. Para recipientes aislados externamente, lasbridas de las boquillas normalmente no se aíslan, de modo tal que sepermite una reducción de 10% por debajo de la temperatura de diseño delfluido para la temperatura de diseño del metal de esas bridas. Si las bridasde las boquillas llevan aislante, la temperatura de diseño del metal es iguala la temperatura de diseño del fluido.

Algunas veces los recipientes están provistos con aislamiento interno parareducir la temperatura de diseño del metal a un valor inferior a latemperatura de proceso. Para temperaturas muy altas (mayores que538°C (1000°F)), este es un método seguro y confiable de confinar el fluidode proceso caliente. Para temperaturas menores, algunas veces eseconómico o técnicamente deseable utilizar revestimiento de aislamientointerno. Este tipo de revestimiento se puede utilizar también para reducirla corrosión de la pared al disminuir su temperatura.La temperatura de diseño del metal para recipientes aislados internamentese establece normalmente en 343°C (650°F). El aislante interno reduce latemperatura de pared a valores aproximadamente entre 121°C (250°F) y204°C (400°F), dependiendo de la temperatura del proceso, de lacondiciones ambientales y del aislamiento. Sin embargo, pueden existir“puntos calientes” causados por el flujo de gases calientes a través de unrevestimiento de refractarios como resultado de la caída de presión en unlecho catalítico o por deterioro de los mismos refractarios. Por lo tanto, latemperatura de diseño del metal es usualmente especificada como 343°C(650°F), para prevenir la eventualidad de los “puntos calientes”.Para servicio de hidrógeno, el material debe ser capaz de soportar ataquepor hidrógeno a una temperatura por lo menos igual a la temperatura dediseño del metal.

2. Servicios cíclicos – Los recipientes en servicios cíclicos requieren unaatención especial. El servicio cíclico incluye aquel servicio donde el númerode arranques y paradas, más otros ciclos grandes de presión y




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temperatura, excede los 1000 durante el tiempo de vida media de la unidad.Las variaciones de presión y temperatura menores del 20% del valor dediseño no son significativas. Las variaciones de temperatura en exceso de± 83°C (± 150°F) en un intervalo de tiempo de un minuto o menos, puedenser significativas. El número de ciclos se debe basar en un servicio de vidamínima de 20 años para equipos mayores.

Las unidades en servicio cíclico incluyen los procesos químicos conoperaciones por carga y las unidades de altas presiones (241,000 kPa man(35,000 psig)) de polietileno. Los servicios cíclicos pueden incluir reactoresde lecho fijo, como hidrotratadores e hidrocraqueadores.La mayor parte de las unidades de procesamiento de petróleo no estánsujetas a un número significativo de ciclos.

3. Otros gradientes térmicos – Los recipientes que están sujetos a ungradiente térmico substancial como resultado de una repentina variaciónde temperatura, caen dentro de la clasificación de servicio crítico yrequieren una consideración especial. Esta clase de recipientes incluyeaquellos reactores de lecho fijo que están sujetos a reaccionesexotérmicas. Normalmente se instalan aparatos de despresurizaciónmanual con retorno automático para reducir la presión a medida que latemperatura se incrementa. Esto usualmente requiere un estudioanalógico del sistema, asociado con cálculos de transferencia de calor paraestablecer la temperatura del metal. Las combinaciones predominantes depresión y temperatura se utilizan para diseñar el recipiente.

4. Regulaciones locales – Los recipientes diseñados para localidadesdonde es obligatorio el código ASME, Sección VIII, División 1, pueden serdiseñados para temperaturas de hasta 343°C (650°F) con un costoagregado muy pequeño o sin costo adicional para el recipiente. Esto esdebido a que el esfuerzo de diseño, y por lo tanto el espesor, es constanteen el rango de 38°C (100°F) a 343°C (650°F) para acero al carbón y acerosde baja aleación. Esto no se aplica estrictamente a recipientes diseñadospara condiciones de vacío. Sin embargo, el diferencial de costo pararecipientes en servicio de vacío es pequeño.

El espesor de pared y el costo de los recipientes varia para otros lugares(donde la Sección VIII, División 1 no es obligatoria), porque la tensión dediseño es una función de la temperatura en el rango de 38°C (100°F) a343°C (650°F) y a rangos mayores. Esto también se aplica a tuberías,porque la tensión de diseño es función de la temperatura desde 38°C(100°F) en adelante según el “Código de Tuberías”, ASME B31.X.

Tanques de almacenaje

1. Tanques de almacenamiento atmosféricos – Estos tanques dealmacenamiento tienen una temperatura de diseño igual a la temperaturamáxima del fluido o la del ambiente, cualquiera que sea la mayor.




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2. Tanques de almacenamiento con refrigeración – La temperatura dediseño de este tipo de tanque es igual o ligeramente menor (en 5°C (9°F)),que la temperatura mínima de almacenamiento del producto.

3. Esferas de almacenamiento a presión – Las esferas de almacenamientoa presión que no están enfriadas; se deben diseñar para una temperaturaigual a la máxima del fluido o la ambiental, a la presión del diseño.

Otras consideraciones sobre temperatura de diseñoAdemás de determinar la temperatura de diseño, los siguientes extremos detemperatura y consideraciones de proceso pueden afectar el diseño de equiposo la selección de material para el mismo.

1. Desplazamiento o limpieza con vapor – Los equipos y tuberías sujetosa desplazamiento o limpieza con vapor, como en el caso de arranques oparadas, deben tener la temperatura del vapor incluida en lasEspecificaciones de Diseño. Las tuberías y recipientes se deben diseñarpara la dilatación térmica resultante del desplazamiento con vapor.

2. Traceado de calentamiento – Los equipos o tuberías con trazas de vaporo con encamisado de vapor o con cualquier otra forma de calentamientocon vapor deben ser diseñados tomando en consideración una disminucióngrave en el flujo del lado de proceso. La temperatura puede afectar eldiseño de los equipos o la flexibilidad de las tuberías.

3. Agua de enfriamiento – Una falla de agua de enfriamiento puede tambiénser causa de temperaturas anormalmente altas en equipos o tuberías.

4. Descoquificación – Los equipos asociados con las corrientes de procesoque deben ser descoquificadas son expuestos normalmente atemperaturas verdaderamente altas y a presiones bajas. Estos extremosde temperatura pueden o no determinar la temperatura de diseño debidoal bajo nivel de presión. Sin embargo, la temperatura de descoquificación,la duración y la frecuencia se deben indicar en las Especificaciones deDiseño, de modo tal que el diseño mecánico de tuberías y recipientes tomeen cuenta esta consideración.

5. Soluciones alcalinas y aminas – Los equipos y tuberías que contienensoluciones alcalinas, tal como la soda cáustica, o aminas pueden requerirtratamientos térmicos posteriores a la soldadura, dependiendo de lacomposición y la temperatura.

6. Materiales no–ferrosos – Temperaturas de diseño mayores de +38°C(100°F) para materiales no ferrosos como aluminio y aluminio–broncedeben ser seleccionadas con cuidado, porque la resistencia del materialdecrece rápidamente con el aumento de la temperatura. Los materiales debajo punto de fusión como el aluminio, cobre y bronce, generalmenterequieren pruebas contra el fuego para prevenir fallas causadas por laexposición al fuego.




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5.3.2 Equipos en servicios criogénicos y de baja temperatura

Los materiales utilizados a temperaturas iguales o inferiores a +49°C (120°F)deben poseer la resistencia adecuada para prevenir fracturas catastróficas en losequipos por fragilidad del material. La resistencia de los materiales se asegura através de la especificación de los requerimientos de impacto mínimo que sonverificados por las pruebas de impacto de los materiales. Los requerimiemtos deimpacto se basan en la temperatura crítica de exposición (TCE), por lo tanto,además de establecer la temperatura de diseño, el diseñador debe tambiéndeterminar la temperatura crítica de exposición (TCE) para los equipos.

La temperatura crítica de exposición es la temperatura mínima del metal a la cualun componente estará sujeto a una presión mayor que el 25 por ciento de lapresión de diseño. La TCE toma en cuenta los siguientes factores:

1. Temperatura de diseño del proceso (si se tiene más de una temperatura ode un rango, se usará el valor más pequeño).

2. Condiciones de arranque, parada, despresurización o de perturbacionesdel proceso que pueden causar temperaturas de metal anormalmentebajas.

3. La más baja temperatura atmosférica promedio de un día, especificadapara el arranque y parada de planta. Si no está especificada, se deberátomar la más baja temperatura atmosférica de un día para la localizaciónde la planta.

4. La temperatura de prueba hidrostática (temperatura del metal durante laprueba) puede predominar sobre la TCE como se explica en los párrafosque siguen.

La TCE no siempre es igual a la temperatura mínima del ambiente y puede en lapráctica ser superior en equipos que se calientan antes de la presurización o sermenor en equipos de baja temperatura o criogénicos.

Se debe notar que las especificaciones de la prueba hidrostática deben requerirque la temperatura del metal durante la prueba sea 6°C (11°F) más alta que la TCEpara componentes con espesores iguales o menores a 50 mm (2 pulg) y 17°C(31°F) más alta que la TCE para componentes con espesores mayores de 50 mm(2 pulg). En algunos casos, puede ser necesario calentar el agua de la prueba paracumplir con este requerimiento. Si el calentamiento del agua no es práctico,entonces la TCE se debe ajustar de manera tal que sea 6°C (11°F) ó 17°C (31°F),según lo necesario, por debajo de la temperatura del metal durante la pruebahidrostática con agua no calentada. Para los tanques de almacenamientoatmosférico, la temperatura crítica de exposición es determinada por la menor delas más bajas temperaturas atmosféricas promedio de un día, o por la temperaturadel metal durante la prueba hidrostática.




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Criterios y consideraciones para establecer la TCE

1. Tipo de equipo – La temperatura de diseño para equipos criogénicos y debaja temperatura (menor que la ambiente) es igual a la temperatura deoperación mínima. El incremento de temperatura entre la temperatura deoperación normal y la de diseño puede variar desde pocos grados, para untanque de almacenamiento con enfriamiento, hasta 14°C (25°F) o máspara un nuevo proceso de baja temperatura. Los diseños criogénicos (pordebajo de –101°C (–150°F)) requieren el uso de materiales con resistenciaadecuada a temperaturas criogénicas. Los materiales típicos son el aceroinoxidable, el aluminio o materiales con 5 a 9% de níquel, los cuales tienenuna resistencia adecuada hasta –165°C (–265°F).

2. Economía – Los requerimientos de resistencia generalmente llevan alpunto óptimo de costo de material a temperaturas por debajo de +60 (140),+49 (120), +16 (61), 0 (32), –29 (–20), –49 (–56) y –101°C (–150°F). Estospuntos óptimos existen por las diferentes especificaciones de materialesrequeridos para proveer resistencia. Las temperaturas enumeradas sonrepresentativas y en la realidad varían dependiendo de las numerosasvariedades de materiales. Los requerimientos de impacto para todos losequipos (excepto tanques de almacenamiento) y tuberías se presentan enlos códigos “ASME, Boiler and Pressure Vessel Code, Section VII” y “ASMEB31.X”. La temperatura de diseño tiene un efecto muy pequeño sobre elespesor a temperaturas por debajo de +49°C (120°F).

3. Temperatura ambiente – Cuando las temperaturas de operación mínimasestán por encima de la temperatura ambiente mínima, “la más bajatemperatura promedio de un día”, establecida por la localización delproyecto, debería ser usada como la temperatura de diseño mínima amenos que se establezca el uso de una temperatura más alta. Losmanuales de operación deberían especificar la temperatura de operaciónmínima, si ésta es mayor que la más baja temperatura promedio de un día,y debería incluir limitaciones de operación requeridas para evitartemperaturas más bajas que las mínimas de diseño.

En general, para climas calientes es económicamente aceptable utilizar latemperatura más baja promedio de un día (de 16°C (61°F) a 21°C (70°F)),como la temperatura crítica de exposición. A medida que la temperaturamás baja promedio de un día cae por debajo de +16°C (61°F) yparticularmente debajo de 0°C (32°F), es progresivamente más costosoobtener materiales con la resistencia requerida. Por lo tanto, en esta regiónde temperatura, se requiere un criterio muy cuidadoso para establecer latemperatura crítica de exposición.

4. Aislamiento – Equipos y tuberías con aislamiento interno deben serconsiderados separadamente. Estos incluyen reactores de hidrogenacióncon refractarios, reformadores secundarios, coquificadores fluidizados y




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craqueadores catalíticos fluidizados. Para estos equipos y tuberías, latemperatura más baja promedio de un día debería ser usada como la másbaja temperatura de metal, a menos que los estudios demuestren locontrario.

5. Ensuciamiento – En algunos casos, el ensuciamiento deintercambiadores de calor o los problemas de control de flujos anormalespueden modificar suficientemente la transferencia de calor, reduciendo lastemperaturas de los equipos normalmente calientes. Estos fenómenosdeberían ser considerados durante la fase de diseño.

6. Autoenfriamiento – Los equipos y tuberías que pueden estar afectadospor bajas temperaturas resultantes de autoenfriamiento deberían serdiseñados para temperaturas de autoenfriamiento, bajo las siguientescircunstancias:

a. La falla o mal manejo de una sola válvula automática puede causardespresurización de los equipos.

b. El mal manejo de una sola válvula manual puede resultar endespresurización.

No es necesario tomar en cuenta el autoenfriamiento para los puntos a yb arriba mencionados, si la válvula es lo suficientemente pequeña para quela despresurización sea lenta (más de 15 minutos) y si se colocan alarmasadecuadas para avisar al operador sobre la reducción de presión.Las tuberías de descarga y los equipos asociados localizados aguas abajode válvulas de seguridad que descargen líquidos de vaporizacióninstantánea, deben ser adecuados para manejar las bajas temperaturasresultantes.Las temperaturas de autoenfriamiento deben aparecer en lasEspecificaciones de Diseño.

7. Enfriamiento brusco – El enfriamiento brusco presenta una situación dediseño especial para el caso de tuberías y equipos. Esta condición estáusualmente asociada a equipos de descarga de alivio y de seguridad enplantas de gas o unidades de proceso a baja temperatura. Cuando latemperatura de diseño (después del enfriamiento del líquido) es menor que–29°C (–20°F), y la diferencia de temperatura de enfriamiento excede los56°C (101°F), el equipo y/o la tubería deben cumplir con los requerimientosde enfriamiento brusco recomendados en las normas y códigos de usocomún. La temperatura mínima de diseño debe aparecer en lasEspecificaciones de Diseño para equipos sujetos a enfriamiento brusco.

8. Pruebas hidrostáticas – La temperatura de prueba hidrostática no esimportante para el diseñador excepto para los casos de tanques y esferasde almacenamiento. Para éstos, la temperatura del agua de prueba debeser especificada, ya que el propietario suministra el agua. Para otros




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equipos, el fabricante debe considerar la temperatura de la prueba duranteel diseño detallado del equipo.

5.4 Temperatura de diseño de tuberíasLa temperatura de diseño para tuberías debe ser establecida en conjunción conla presión de diseño para determinar la clase de tubería a ser utilizada, según setrata en la Sección 6.5 de esta Práctica de Diseño.

En general, las consideraciones explicadas anteriormente para la determinaciónde la temperatura de diseño y de la temperatura crítica de exposición paraequipos, aplican en igual forma para las tuberías.

Las temperaturas de diseño del metal para tuberías se establecen como sigue:

1. Para componentes de tuberías con aislante externo, la temperatura dediseño del metal debe ser la temperatura máxima del fluido contenido enla tubería.

2. Para componentes de tuberías sin aislante (externamente) y sinrecubrimiento (internamente), la temperatura de diseño del metal debeser la máxima temperatura del fluido contenido en la tubería, reducida enlos siguientes porcentajes:

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Componente ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

DT, % de T


Tubería, accesorios para soldary válvulas


5

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Bridas de línea y accesorioscon bridas

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

10

Los diseños usarán más frecuentemente un 10% de reducción, tal como seaplica a bridas de tuberías sin aislante. Las otras reducciones permisiblesse aplicarán con mucha menor frecuencia. Si las reducciones se tomanpara los fluidos de categoría M, las reducciones requieren ser avaladas porcálculos de transferencia de calor confirmados por pruebas, o por medidasexperimentalesCon el creciente interés en la conservación de la energía, más y más bridasson aisladas para ahorrar calor. Si se está considerando un aislamientoexterno para una brida, se debe establecer el rango de presión ytemperatura de diseño del fluido para asegurar que sea adecuado aislarla.

3. Para tuberías con recubrimiento y aislamiento interno, la temperatura dediseño del metal para cada componente se debe basar en la experienciade diseños anteriores o en temperaturas calculadas teóricamente.

5.5 Flexibilidad de tuberíasEn la práctica corriente las Especificaciones del Diseño de un proyecto nosuministran las temperaturas de diseño para las tuberías de proceso. En su lugar,




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tales temperaturas son establecidas por la organización que realiza la ingeniería,basada en la interpretación de las Especificaciones de Diseño que recibe. Esteprocedimiento es fundamentalmente diferente al que se utiliza para la mayoría delos otros equipos, donde la temperatura de diseño es especificada por uningeniero de diseño familiarizado con el proceso/operación en el cual esta basadala temperatura. Por lo tanto, es necesario establecer unas comunicaciones clarasentre el ingeniero de diseño y el diseñador de detalles de tuberías. Loslineamientos de contenido presentados a continuación muestran la informaciónque el ingeniero de diseño debe suministrar para permitir al diseñador de detallesde tuberías establecer el diferencial máximo de temperatura en la tubería y, enconsecuencia, diseñar un sistema adecuadamente flexible.

1. Operación planificada – (Incluye producción estabilizada,desplazamiento con vapor, arranque, parada y operaciones alternas).

a. Producción estabilizada – Las situaciones no usuales deben seridentificadas. Se deben definir las bases para fijar la temperatura de diseño delfluido en la tubería y el mecanismo para establecer la temperatura del fluidoa partir de los equipos conectados a la tubería; es decir, explicar cualquierdiferencia no clara entre lo que debería ser la temperatura de la tubería y elvalor numérico en sí de la temperatura del equipo. Por ejemplo, La temperaturade diseño de un equipo podría ser especificada como 343°C (650°F)(aunquela temperatura real del metal puede ser 121°C (250°F)), porque el recipientese diseña para una localidad donde es obligatorio usar la Sección VIII delCódigo ASME. Con esta información y el conocimiento de la dirección de flujo,el diseñador de detalle de tubería puede establecer una temperatura de diseñopara flexibilidad de la misma. La flexibilidad de las tuberías de los compresoreses particularmente crítica y la temperatura debe ser especificada por elingeniero de diseño, utilizando las consideraciones expuestas más abajo.

b. Operaciones de desplazamiento con vapor – El arranque y la paradautilizan normalmente desplazamiento con vapor. Para estos casos se requierela siguiente información:

(1)Temperatura del vapor utilizado (varias temperaturas y circuitosde vapor pueden estar involucrados).

(2) Identificación de las líneas sujetas a desplazamiento con vaporque operen normalmente por debajo de la temperatura del vapor dedesplazamiento.

(3)Plano de identificación de servicios o líneas para las cuales eldesplazamiento con vapor se prohibe (avisar al propietario dondeno se puede aplicar desplazamiento con vapor); por ejemplo, avisardonde los costos pueden ser excesivos para suministrar flexibilidad(líneas largas que transportan hidrocarburos fuera de lasinstalaciones) o donde el aislamiento no es adecuado para manejarlas temperaturas del vapor.




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c. Secuencias de arranque o parada que imponen en las tuberías diferencialesde temperatura mayores que las correspondientes a condiciones estables deproducción. Por ejemplo, la circulación de un aceite caliente para calentar unatorre a través de circuitos seleccionados, dejando fríos otros circuitos, provocaun estiramiento de los circuitos fríos a causa de la dilatación de la torre.

d. Operaciones alternas, tales como regeneración, descoquificación, etc. Sedeben suministrar los diagramas de flujo simplificados y notas en los planosde flujo indicando lo siguiente:(1)Todos los circuitos (primarios) de producción planificada y los

patrones de flujo.

(2)Todos los circuitos secundarios de servicios planificados y lospatrones de flujo.

(3)Las líneas que se encuentran en la modalidad de no–flujo(bloqueadas) en cada caso.

(4)Las temperaturas de los equipos involucrados en cada operación.

2. Operaciones no planificadas – Son las situaciones anormales,incluyendo mal manejo de la operación, el mal funcionamiento de losequipos u otros eventos que no están planificados, pero que estánprevistos a tal punto que las temperaturas involucradas fueronconsideradas cuando se estableció la temperatura de diseño para laflexibilidad térmica de las tuberías y los equipos de conexión. Son ejemplosde estas operaciones los siguientes:

a. Pérdida de flujo del medio de enfriamiento

b. Interrupción del flujo de proceso durante calentamiento con elsistema de trazas de vapor en servicio

c. Reacción exotérmica fuera de control

Para cada una de estas situaciones anormales previsibles, se debensuministrar la temperatura de metal y la frecuencia de aparición previstas(número de ocurrencias por año) para las mismas.

3. Consideraciones para frecuencias de operaciones cíclicas –Considerando un período de 20 años, el número de ciclos de temperaturasignificativos debe ser indicado para el tiempo de vida de la planta, si ellosexceden el valor de 7000 (es decir, alrededor de uno por día durante 20años). Un ciclo significativo es aquel donde el cambio de temperatura esigual o mayor que el 50 por ciento del cambio máximo de temperatura.

4. Sistemas de tuberías para compresores – El diseño de los sistemas detuberías relativamente frías para compresores, puede ser afectadosignificativamente por pequeñas diferencias en los rangos detemperaturas. Esto es debido a que el diseño de estas tuberías estalimitado por las cargas que pueden ser impuestas al compresor sin




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causarle problemas. Las tuberías de gran diámetro (600 mm (24 pulg)) sonparticularmente críticas. En un sistema de tuberías de compresoresusualmente se requieren soportes y empotramientos especiales, demanera tal que las cargas sobre las boquillas no excedan las cargaspermisibles. Al mismo tiempo, el limitado espacio disponible para loscircuitos de expansión localizados alrededor del compresor, complican elproblema. En consecuencia, la temperatura de metal para flexibilidad detuberías de compresores debe incluir solamente el incremento detemperatura necesario para cubrir las condiciones de operación, sin serexcesivamente conservador, y debe estar indicada en las Especificacionesde Diseño.

Las líneas de succión de los compresores que se calientan con trazadosexternos deben ser diseñadas para ser lo suficientemente flexibles parauna temperatura de metal que refleje la condición de no flujo, con lostrazados externos en funcionamiento. Esta temperatura de metal puedeser significativamente más baja que la temperatura de los trazadosexternos.

5. Tuberías de carga y descarga para tanques – La disposición de la tuberíay la expansión térmica asociada, particularmente para líneas de grandiámetro, no deben imponer cargas excesivas en la boquillas de lostanques. La tubería entre un tanque y su dique de contención se debecolocar y soportar convenientemente a fin de minimizar el movimiento dela tubería durante el llenado, el vaciado y el asentamiento del tanque. Paralos efectos de expansión térmica, el rango de diferencia máxima detemperatura utilizado en el análisis de flexibilidad debe considerar 49°C(120°F) como el valor de temperatura superior, si la temperatura máximade operación del fluido es inferior a 49°C (120°F). Esta es considerada lamáxima temperatura del metal resultante de la radiación solar cuando nohay flujo en la línea.

6. Líneas fuera de los límites de las unidades de proceso – Para estaslíneas se puede usar, a condiciones anormales, el doble del rango deesfuerzo permitido por el Código de Tubería, siempre y cuando:

a. La temperatura del fluido a condiciones anormales está por debajode la temperatura de autoignición y de 260°C (500°F).

b. Las condiciones anormales no ocurran más de 5 veces al año.

c. El rango de esfuerzo permisible deba ser calculado solamente paralas condiciones anormales. No se debe tomar crédito por losesfuerzos longitudinales prolongados que sean menores que lospermisibles en el Código de Tubería.




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6 PRESION DE DISEÑO

6.1 GeneralidadesLa presión de diseño es la máxima presión interna o externa utilizada paradeterminar el espesor mínimo de tuberías y recipientes y otros equipos. Paracondiciones de vacío parcial o total, la presión externa es la máxima diferenciaentre la atmosférica y la presión en el interior del recipiente o tubería.

La presión de diseño especificada para equipos y tuberías esta normalmentebasada en la presión de operación máxima, más la diferencia de presión entre lapresión máxima de operación y la presión fijada en el sistema de alivio de presión(AP). Esta diferencia de presión es requerida para prevenir la apertura prematurade una válvula de alivio de seguridad o la falla prematura de un disco de ruptura.La presión de diseño de un recipiente se especifica normalmente en el tope delmismo.

Al establecer la presión máxima de operación, se deben considerar las variacionesde presión originadas por cambios en la presión de vapor, densidad, cambio enla alimentación, cambios en los puntos de corte de los productos, cabezal estáticodebido al nivel de líquido o sólido, caída de presión en el sistema y presión debloqueo de bombas o compresores. También se debe suministrar un margenadecuado entre la presión de operación y la presión establecida para la válvula deseguridad (normalmente igual a lapresión de diseño), a objeto de prevenir laabertura frecuente de la válvula de seguridad.

La presión de diseño generalmente se selecciona como el mayor valor numéricode los siguientes casos: (a) 110% de la presión máxima de operación, o (b) lapresión de operación más 172 kPa man (25 psig). Esta regla se aplica cuando seutiliza una válvula de alivio de seguridad convencional. Hay varias excepciones aesta regla, que se explicarán más adelante.

6.2 Definiciones

Presión de operación

Es la presión a la cual los equipos o tuberías están normalmente expuestosdurante la operación de los mismos.

Presión de operación máxima

Es la máxima presión prevista en el sistema debida a desviaciones de la operaciónnormal. Esto incluye arranques, paradas, operaciones alternadas, requerimientosde control, flexibilidad de operación y perturbaciones del proceso.

La máxima presión de operación debe ser al menos 5% mayor que la presión deoperación.




yparuta

Resaltado

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Presión de operación mínima (Vacío)

La presión de operación mínima es la presión sub–atmosférica más baja quepuede tener el sistema, basada en las condiciones esperadas de la operación,incluyendo arranque y parada.

Los recipientes sometidos a condiciones de presión sub–atmosférica, deben serdiseñados para vacío total.

Presión de diseño

Es la presión máxima, interna o externa, a ser utilizada para determinar el espesormínimo de tuberías, recipientes u otros equipos. Para condiciones de vacío parcialo total, la presión externa es la máxima diferencia de presión entre la atmosféricay la presión interna existente en los equipos. De no ser especificado de otra forma,la presión de diseño es la que se específica en el tope del recipiente.

Presión de trabajo máxima permisible (PTMP)

Es la máxima presión manométrica permisible en el tope de un recipiente colocadoen su posición de operación, a una temperatura establecida. Esta presión se basaen cálculos que usan el espesor nominal, excluyendo la tolerancia por corrosióny excluyendo el espesor requerido para satisfacer cargas diferentes a las depresión para cada elemento de un recipiente. La PTMP no se determinanormalmente para recipientes nuevos, pero se usa en recipientes que van a serredimensionados o en estudios relacionados con usos alternos del equipo.

Presión de bloqueo (“stalling”)

Es la presión a la descarga de una bomba centrífuga o un compresor centrífugo,con la presión de succión en el máximo valor posible y el sistema de descargacerrado.

Presión de prueba hidrostática

Es la presión manométrica aplicada al equipo o tubería durante la pruebahidrostática. La mínima presión requerida y la máxima presión permisible para laprueba dependen del código aplicado.

Presión de ajuste

Es la presión manométrica a la entrada de una válvula de alivio, a la cual la válvulaes ajustada para abrir. Para nuevos proyectos, generalmente la presión de ajustees igual a la presión de diseño del equipo instalado en el sistema protegido por laválvula de alivio.

Sobre–Presión

Es el incremento de presión sobre la presión de ajuste de una válvula de aliviodurante la descarga de la misma, y se expresa como un porcentaje de la presiónde ajuste.




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Acumulación

Es el incremento de presión sobre la presión de trabajo máxima permisible (PTMP)de un equipo o sistema de tubería durante la descarga de la válvula de aliviocorrespondiente, y se expresa como un porcentaje de la PTMP.

Presión de alivio

Es la suma de la presión de ajuste de una válvula de alivio y el incremento real depresión que ocurre durante la descarga de la misma.

Contra–Presión

Es la presión en el lado de descarga de una válvula de alivio en posición cerrada.

6.3 Presión de diseño de equipos

6.3.1 Equipos a presión

Recipientes

Para la determinación de la presión de diseño de recipientes a presión, se debentener en cuenta los siguientes factores:

Presión Mínima de Diseño – Generalmente se utiliza una presión mínima dediseño de 110 kPa man. (16 psig), a menos que existan fuertes incentivos paradecidir lo contrario. Recipientes a presión con una presión de diseño igual o menorque 103 kPa man. (15 psig) caen fuera de los alcances obligatorios del CódigoASME. En algunas circunstancias, es deseable por consideraciones económicasy de fabricación, especificar presiones de diseño menores de 110 kPa man. (16psig). Este tipo de equipos se encuentra en las unidades de fertilizantes,desparafinadoras, de tratamiento de agua y en sistemas de gases de combustión.

Cabezal estático – El ingeniero de diseño debe también considerar el cabezalestático que puede estar presente en un recipiente. Este cabezal no estáautomáticamente cubierto en el diseño de detalles del recipiente por el contratistao fabricante, para las condiciones de operación. Los códigos requieren que seincluya en el diseño una presión adicional debido al cabezal estático causado porel contenido normal de líquido. Si el nivel líquido máximo es especificado demanera clara, el contratista lo tomará en cuenta. Para recipientes horizontales orecipientes a alta presión, el efecto de cabezal estático adicional durante laoperación es despreciable.

Los requerimientos de diseño para cabezales estáticos deben ser incluidos en lasEspecificaciones de Diseño de torres de extracción de líquidos, de reactores delecho de sólidos fluidizados, de torres de enfriamiento súbito o de cualquier otrorecipiente vertical que puede operar lleno con líquidos o sólidos. Un recipiente dealmacenamiento o un silo tal como una tolva para catalizador, también deben ser




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diseñados tomando en cuenta el cabezal estático. Se debe poner una nota en lasEspecificaciones de Diseño que explique que el recipiente debe ser diseñado parael cabezal estático resultante de un nivel dado de material; también se debe indicarsu densidad.

Para recipientes no llenos de líquido – Para el caso de recipientes conteniendovapor y líquido, si no están normalmente llenos de líquido, se recomienda usar lossiguientes valores para la presión de diseño:

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Presión de operación máxima (POM) ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Presión de diseñoÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Bajo 1700 kPa (247 psig) ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

POM + 170 kPaÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Entre 1700 y 4000 kPa (247 y 580 psig) ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

110 % de POMÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Entre 4000 y 8000 kPa (580 y 1,160 psig) ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

POM + 400 kPaÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Sobre 80 Barg (1,160 psig) ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

105 % de POMÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁPara equipos operando por debajo de 100 kPa (15 psig), se debe considerar el

punto relacionado con la presión mínima de diseño.

Para recipientes llenos de líquido – Para el caso de recipientes llenos de líquido,la presión de diseño debe ser al menos la presión de bloqueo de la bomba quecarga el recipiente, si el mismo puede ser bloqueado mientras el sistema dealimentación permanece operando.

Recipientes verticales con flujo ascendente – Además del cabezal estático, lacaída de presión del sistema con flujo ascendente también puede influenciar eldiseño de los elementos localizados por debajo del tope del recipiente. El cálculodel espesor de pared de las secciones inferiores del recipiente debe tomar encuenta los aportes apropiados del cabezal estático y la caída de presión delsistema agregada a la presión del diseño. Por lo tanto, el diseñador debesuministrar la presión de diseño en el tope del recipiente, el cabezal estático parael nivel más alto de líquido, y la caída de presión del sistema desde el fondo hastael tope del recipiente, en las Especificaciones de Diseño relacionadas con losplanos del recipiente. Se supone que la caída de presión del sistema varialinealmente, a menos que se especifique lo contrario.

Alivio de presión – Este tópico se analiza en los documentosPDVSA–MDP–08–SA–01 / 02 / 03 / 04 y 05. En dichos documentos también seanalizan las relaciones entre la presión de diseño y la presión fijada en los sistemasde alivio de presión. Adicionalmente, se describen los aparatos comunmenteusados para aliviar la presión, tales como válvulas de alivio térmico, discos deruptura, venteos de explosión, circuitos con sello de líquido y válvulas derompimiento de vacío.

EconomíaExisten algunas reglas generales que pueden ser utilizadas para establecer undiseño económico de recipientes.




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El diseño del fondo de una torre puede ser gobernado por condiciones diferentesde las del proceso. A veces, los vientos y cargas de prueba hidrostática (y,ocasionalmente, cargas por movimiento telúrico) gobernarán sobre el cálculo deespesor de pared en el fondo de torres muy altas (generalmente por encima delos 30.5 m (100 pies)). El espesor requerido solamente por presión no debe serutilizado para estudios económicos, si la torre posee una altura mayor de 30.5 m(100 pies). Existen también programas de computación que suministranestimados de costos precisos para estos recipientes.

El diseño de un tambor estará normalmente gobernado por la presión interna, seaesta positiva o una presión de vacío, si así se impone. No obstante, un tamborhorizontal largo requerirá refuerzos en los soportes o un espesor de pared mayorque el requerido por presión. Esto es particularmente cierto para diseños apresiones muy bajas.

Minimizar el costo de un recipiente no necesariamente significa optimizar el costounitario. Se deben también tomar en cuenta factores como los costos de bienesraíces, fundaciones y tuberías.

Cuando la presión de diseño es superior a 1030 kPa man. (150 psig), el costo delrecipiente generalmente se mantendrá mínimo si el diámetro se reduce. Sinembargo, los recipientes con internos (exceptuando platos de cartuchos) deberíantener, preferentemente, un diámetro mínimo de 0.9 m (3 pies) a fin de facilitar elacceso al recipiente. Los recipientes verticales con alturas mayores de 30.5 m(100 pies) o una relación de L/D mayor de18 pueden no ser más económicos apesar de que el diámetro esta minimizado en 0.9 m (3 pies). Esto sucede porqueel viento, las pruebas hidrostáticas o los movimientos telúricos comenzaránprobablemente a gobernar el diseño. Se debería reconocer que losrequerimientos de proceso pueden superar y frecuentemente superan lasconsideraciones arriba expuestas.

Baja presión

Para sistemas con presiones bajas (menos de 1720 kPa man (250 psig)) yoperación estable, el margen entre la presión de operación y la presión de diseñopuede ser reducido. Para estos sistemas, la presión de diseño puede ser el mayorvalor entre la presión de operación máxima más el 10%, o la presión de operaciónmás 103 KPa man (15 psig).

El uso de válvulas pilotos puede permitir la utilización de menores diferenciales depresión entre la presión de operación y la presión de diseño. Véase losdocumentos PDVSA–MDP–08–SA–01 / 02 / 03 / 04 / 05.

Un sistema de presión autolimitante puede tener también un diferencial de presiónmás pequeño. Un ejemplo de este sistema sería uno que opere a 41kpa man (6psig), con la presión producida por un ventilador. Si el ventilador puede generar




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una presión máxima de 62 kPa man. (9 psig), ésta podría ser la presión de diseñodel sistema. Este tipo de sistemas se encuentra en algunas plantas de fertilizantes.

Intercambiadores de calor

Las presiones de diseño son especificadas separadamente para la carcaza y lostubos, en la manera usual que para la mayoría de los equipos. Sin embargo,cuando la presión de diseño del lado de alta presión es mayor que 1.5 veces la dellado de baja presión, pueden existir requerimientos especiales, por lo cual,usualmente se especifican los intercambiadores considerando la regla de 1/1.5.Véase al respecto los documentos PDVSA–MDP–08–SA–01 / 02 / 03 / 04 / 05.

Tambores de descarga de livianos y tambores de sello de mechurrios

Véase los documentos PDVSA–MDP–08–SA–01 / 02 / 03 / 04 / 05.

6.3.2 Equipos a vacío

Los recipientes sujetos a vacío parcial o total (presión sub–atmosférica), se debendiseñar para vacío total. Si se prevé un vacío para cualquier condición deoperación, éste debe ser especificado como una condición de diseño. Sonexcepciones a esta regla los fraccionadores primarios de gran tamaño como lasdestiladoras atmosféricas, los fraccionadores de craqueo catalítico, losfraccionadores de las plantas de coque y los fraccionadores de las plantas decraqueo con vapor. La experiencia ha mostrado que, con un estricto seguimientode los procedimientos de operación, los operadores pueden prevenir la formaciónde vacío para los pocos casos en los que se pueda generar. Las pérdidas de calorintroducido o el enfriamiento de algunos sistemas, como en el caso de una torrefraccionadora llena con fracciones de rangos de ebullición muy pequeños, puedenresultar en condiciones de vacío en los recipientes, tambores y tuberías. Véaselos documentos PDVSA–MDP–08–SA–01 / 02 / 03 / 04 / 05. Una operacióndefectuosa de algún sistema de compresores puede dar resultados similares.Estos puntos deben ser considerados al establecer las necesidades para diseñarequipos al vacío.

Generalmente, los recipientes y los equipos no se diseñan para el vacío que sedesarrolla cuando se desaloja el agua de éstos con el sistema de venteo cerrado,como puede suceder después de la inundación con agua o de la pruebahidrostática de tales equipos o recipientes. Se confía en el control del operadorpara prevenir el vacío debido a esta causa.

Para líneas de conexión entre tanques y bombas, localizadas fuera de los límitesde batería, y de diámetros mayores de 600 mm (24 pulg), se puede requerir el usode líneas rompe–vacío conectadas al tanque a fin de prevenir el colapso de lalínea. Un colapso sería el resultado de un vacío que se puede generar si la válvulade bloqueo en el tanque es inadvertidamente cerrada mientras que la bomba estáfuncionando.




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Economía

Existen algunas reglas generales que pueden ser utilizadas para establecer undiseño económico de recipientes a vacío.

El diseño de recipientes o tuberías de gran diámetro para condiciones de vacíousualmente representa un balance económico. Es decir, ¿el equipo debe serdiseñado para vacío total? o, alternativamente, se deben analizar preguntascomo: ¿debe la unidad ser diseñada y operada para el caso en que el vacío noocurra?. Si los espesores para vacío y para presión interna son necesarios paraun análisis económico de este tipo, refiérase al “ASME Boiler and Pressure VesselCode”, Sección VIII, División 1, o consulte con la Mechanical Engineering ServicesSection.

6.4 Presión de diseño de tuberíasLa presión de diseño para tuberías debe ser consistente con la presión de diseñopara los recipientes y equipos a los cuales se conectan, y cumplir con lossiguientes aspectos:

Tuberías protegidas por aparatos de alivio de presión (AP) – En este caso, lapresión de diseño debe ser igual a la presión de ajuste establecida para el aparatode alivio de presión (AP) que protege al sistema, más el cabezal estático cuandoaplique.

Tuberías no protegidas por aparatos AP – La presión de diseño para cualquiersección de tubería no protegida por un aparato AP debe ser igual a la presiónmáxima que se puede desarrollar como resultado de una falla de una válvula decontrol, del bloqueo de una bomba, o del cierre inadvertido de una válvula, másel cabezal estático.

Para tuberías sujetas a presión por bloqueo de bombas centrífugas y noprotegidas por un aparato AP, un estimado aceptable de presión de diseño es elvalor numérico mayor entre los siguientes:

1. Presión de succión normal de la bomba más 120% del diferencial depresión normal de la bomba.

2. Presión de succión máxima de la bomba más el diferencial de presiónnormal de la bomba.

En algunas circunstancias, puede ser necesario diseñar utilizando la presión desucción máxima de la bomba más el 120% del diferencial de presión normal de labomba (caso más conservador). Un ejemplo donde esto se aplica es en el casode falla del reflujo de tope (”pumparound”) de un fraccionador, debido a error deoperación.

Una presión de diseño menor que la determinada en base a las reglas anterioreses aceptable, si la bomba real adquirida tiene una presión diferencial de bloqueo




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(válvulas de entrada y salida de la bomba cerradas) menor que 120% de la presióndiferencial normal. Si la presión diferencial de bloqueo excede el 120% de lapresión diferencial normal, la presión de diseño determinada según las reglaspropuesta es aceptable, si satisface las bases de lapsos cortos de tiempo o delapsos de tiempo intermedio del Código de Tuberías (Vea “Líneas Especiales”,más adelante).Para el caso de una sola bomba, la válvula de succión debe tener una limitaciónde presión–temperatura igual a la de la línea de succión, siempre y cuando labomba sea la única fuente de presión en la línea de descarga. Si existe otra fuentede presión igual o mayor, en la línea de descarga, la válvula de succión de labomba y todos los componentes entre esa válvula y la bomba deben tener lasmismas limitaciones de presión–temperatura que la línea de descarga.

Para bombas en paralelo, las válvulas de succión y la tubería aguas abajo de lasbombas deben tener unas limitaciones de presión–temperatura que seanaceptables al menos para el 75% de la presión de descarga de diseño, a latemperatura de diseño.

Las válvulas de doble bloqueo y la tubería entre las válvulas deben ser diseñadaspara la más severa clasificación de tubería en ambos lados de la instalación de laválvula de doble bloqueo.

La presión de diseño para tuberías que operan a 103 kPa man. (15 psig) o menos,debe ser por lo menos igual a la presión de operación más 14 kPa man. (2 psig),pero no menor de 110 kPa man. (16 psig).

Líneas especialesGeneralidades – A veces puede ser deseable clasificar algunas tuberías comoespeciales. Las líneas especiales pueden operar con un incremento de 33% ó 20%en el nivel de presión o del esfuerzo permisible, para variaciones cortas y pocofrecuentes de la presión y/o la temperatura de operación normal. Si la duración delas variaciones es mayor que la permitida por el “Código de Tuberías” para la basede lapsos de tiempos cortos o intermedios (descritos más abajo), se deben usarlas combinaciones de presión y temperatura más severas, a fin de desarrollarcondiciones de diseño adecuadas para un proyecto de larga duración.

Existen varias restricciones relacionadas con las bases a lapsos de tiempos cortosy lapsos de tiempos intermedios:

Primero, estas bases no se pueden usar para servicio de fluidos de categoría M(ver definiciones generales) o para tuberías de hierro colado.

Segundo, si un aparato de alivio de presión protege la tubería, la presión de ajustefijada para el aparato de AP no debe exceder la de diseño de la tubería para lapsosde tiempos largos.

Tercero, las presiones que exceden los niveles normales de limitaciones depresión–temperatura para las válvulas, a veces causan pérdidas de la




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hermeticidad en los asientos de las mismas, o una operación difícil, por lo cual sedebe revisar este aspecto del diseño.

Para lapsos de tiempos cortos, y sujeto a la aprobación del dueño del proyecto,se permite incrementar el límite de presión o el esfuerzo permisible a latemperatura escogida, en un 33%, siempre y cuando las variaciones no excedanlas 10 horas en cualquier lapso de tiempo o el total de 100 horas por año.

Para lapsos de tiempos intermedios, se permite incrementar el límite de presióno el esfuerzo permisible a la temperatura escogida, en un 20%, siempre y cuandolas variaciones no excedan las 50 horas en cualquier lapso de tiempo o el total de500 horas por año.

Este tipo de condición está usualmente asociada con una situación de emergenciao condiciones de operación alternas. Se permiten incrementos en la presión o elesfuerzo para tiempos cortos e intermedios, con las siguientes salvedades:

1. Las condiciones de lapsos de tiempo cortos deben considerar todos losposibles incrementos simultáneos en temperatura y presión.

2. Las condiciones de diseño del sistema deben tener las mismasespecificaciones que las condiciones de diseño de tuberías de largaduración. Estas condiciones no deben normalmente ser excedidas.

3. Cualquier alteración es responsabilidad del diseñador y/o del operador, porlo cual se requiere aprobación por parte del dueño del proyecto.

Requerimientos mínimos para líneas especiales – Cuando es preciso designarlas líneas como especiales se deben seguir, como mínimo, los siguientes pasos:

1. Hacer una lista en la cual se identifiquen como “Líneas especiales” todaslas tuberías para las que se consideran condiciones de lapsos de tiemposcortos/intermedios. La lista debe incluir una tabulación de cada grupo decondiciones de lapsos de tiempos largos o cortos/intermedios que debenser tomados en cuenta por el diseñador de tuberías.

2. Especificar las condiciones de diseño para la planta que sean consistentescon las condiciones de diseño de las tuberías de larga duración y asegurarque estas condiciones son identificables y controlables en el cuarto decontrol.

3. Instruir a los operadores, usando los manuales de operación, sobre lascondiciones de diseño (determinadas en los pasos anteriores) que nodeben ser excedidas durante la operación normal. Es responsabilidad dela operadora de las instalaciones monitorizar las líneas especiales paraasegurar que no se excedan los límites de lapsos de tiempo del “Código deTubería”.

Servicios para fluidos especiales (categoría D y categoría M)En la Edición vigente del ASME/ANSI B31.1 (1992) y del B31.3 (1993) (“Códigode Tubería”), se presentan dos categorías de servicio de fluido, la categoría D y




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la categoría M (ver sección 4, definiciones generales), a las cuales se aplicanconsideraciones especiales de diseño y/o fabricación, adicionales a las aplicadasa la gran mayoría de las tuberías que son normalmente cubiertas por la norma. Deestas categorías de servicio, sólo el servicio de fluido categoría M tiene unparticular significado para el ingeniero de diseño. Un servicio de fluido categoríaM es un servicio de fluido tóxico, en el que la exposición a cantidades muypequeñas en el ambiente pueden producir daños serios e irreversibles a laspersonas, ya sea al respirar o al tener contacto físico con el fluido, aún cuando setomen prontas medidas correctivas.

Un porcentaje extremadamente pequeño de las tuberías de planta de procesocubiertas por el ANSI B31.3 estará en el servicio de fluido categoría M. Elporcentaje de tuberías en esta categoría, es aproximadamente el mismo de losrecipientes a presión en la Sección VIII del ASME, que se consideran en servicioletal, ya que las tuberías de servicio de fluido categoría M usualmente se conectana recipientes en servicio letal. Ejemplos de sustancias que son consideradas comocategoría M/letales son el ácido hidrocianúrico, el cloruro de carbonilo, elcianógeno, el gas mostaza y el bromuro de xilil. Para propósitos de diseño, losácidos, los fenoles, el cloro, el amoníaco, los gases naturales o manufacturados,y los gases de petróleo licuados (como propano, butano, butadieno) y los vaporesde cualquier otro producto de petróleo no deben ser clasificados como categoríaM/letal. Las corrientes de proceso que contienen sulfuro de hidrógeno,metilciclopentadienil tricarbonil de manganeso (MTM) y tetraetilo de plomo (TEP),normalmente no se consideran pertenecientes al servicio de categoría M/letal,debido a las consideraciones de exposición y a la manera como estas corrientesson manejadas en una unidad de proceso, las cuales incluyen vestidurasespeciales y sistemas de respiración apropiados para el caso de escapes dematerial.

6.5 Especificaciones de materiales de tuberíasComo se mencionó anteriormente, la temperatura y la presión de diseño de lastuberías son determinadas por el contratista de ingeniería en base a la informaciónsuministrada por el dueño del proyecto en sus bases y especificaciones de diseño.El diseño de tuberías es desarrollado conjuntamente por las disciplinas deprocesos (o proyectos) y mecánica (tuberías), mediante el desarrollo de las listasde líneas, las cuales, además de la información relacionada con la operación delas mismas, presenta la información de diseño (presiónes y temperaturas dediseño por código, para los casos de perturbaciones y para la prueba de presión,sea ésta hidrostática, neumática o de servicio). Las condiciones de diseño debenser determinadas según los lineamientos presentados en las seccionesanteriores.

Una vez disponible la información de diseño para las líneas, sean estas deprocesos o de servicios industriales o de instalaciones auxiliares, se procede a la




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determinación de la clase de tubería (tipo de tubería correspondiente a un nivelnominal de presión permisible en el sistema) a ser utilizada, según laespecificación de ingeniería de PDVSA, H–221 Materiales de tuberías.

Determinada la clase de tubería a ser utilizada, la selección de todos loscomponentes del sistema (tubos, válvulas, accesorios, bridas, conexiones dedrenaje y venteo, arreglos de conexiones de instrumentación, etc.) quedadeterminada por esta clasificación, sin necesidad de realizar cálculos de diseñopara determinación de espesores o esfuerzos en los materiales; los únicoscálculos requeridos corresponden a la flexibilidad de los sistemas para los casosdonde se requiera.

La clasificación de tuberías de PDVSA se basa en los códigos y normas ANSI,ASME y ASTM correspondientes para los diferentes materiales y componentes delos sistemas de tubería, especialmente en los códigos ASME/ANSI B.31.1,Tubería de vapor, y ASME/ANSI B31.3, Tubería para plantas químicas y refineríasde petróleo. La información básica requerida para determinar la clase de tuberíaes la siguiente:

1. Material (fluido) contenido en la línea, con sus condiciones de operación.

2. Presión de diseño por el ”código de tubería”.

3. Temperatura de diseño coincidente con la presión de diseño.

Con la anterior información, se busca en la especificación H–221 el índice deservicios, en el cual, dados el fluido manejado y las condiciones de diseño, sedetermina la clase a ser utilizada (existen 66 clases en la especificación). Con estaclase, se busca la tabulación correspondiente, la cual muestra el tipo de servicio(fluidos), los límites de presión/temperatura, la corrosión permitida, el espesor,material y tipo de fabricación de los tubos, niples, bridas, accesorios,empacaduras, tipos de valvulas a usar, juntas y conexiones de venteo, drenaje einstrumentos, y una serie de notas relacionadas con el diseño de sistemas ycomponentes para la clase seleccionada.

Queda a criterio del diseñador determinar la clasificación apropiada de la tuberíacorrespondiente a las condiciones de diseño de presión y temperatura requeridaspara el sistema de tubería en estudio. La clase de presión primaria establecida porel diseñador usualmente se específica para cada línea en las Especificaciones deDiseño.

En situaciones especiales, algunos tamaños de tubería pueden no estar cubiertospor una clase de tubería aceptada, debido al gran tamaño o a las condicionesextremas de temperatura y presión a las cuales están sometidos. Para éstoscasos, la presión y la temperatura de diseño son requeridas en lasEspecificaciones emitidas para el diseño mecánico.




pdvsa mdp-01-dp-01 temperatura y presion de diseÑo

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