ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN TUBERÍAS

4.1.1 Métodos de cálculo utilizados en la determinación de esfuerzos térmicos en tuberías.

Los procedimientos de cálculo empleados en el área de análisis de esfuerzos, pueden clasificarse de acuerdo a la exactitud de los resultados que se obtienen, quedando agrupados de la siguiente manera: Empíricos, Tabulados, Simplificados y Formales. El análisis de esfuerzos, al considerar las características del sistema de tuberías estudiado, debe seleccionar aquel que arroje los resultados con la exactitud requerida.

A continuación se describen las características más relevantes de cada uno de los grupos de procedimientos de cálculo mencionados.

4.1.2 Métodos Empíricos.

Este tipo de métodos está basado en la experiencia acumulada por el calculista, permitiendo establecer rápidamente si el sistema es flexible, más no se puede determinar cuantitativamente las fuerzas, momentos y esfuerzos a que está sometida la tubería en cuestión.

El Código ANSI B31.3 1976 [8] en su sección 319.4.1 establece que se pueden aplicar los siguientes criterios.

• Un sistema de tuberías es flexible si es un duplicado o tiene variantes insignificantes de algún sistema que está operando satisfactoriamente.

• Se considera aceptable un sistema de tuberías dado, si este es similar a otro que fue previamente analizado y no está sobre esforzado.

• Si el sistema a analizar está formado por tubería de un solo diámetro, el cual tiene dos puntos de apoyo y no cuenta con restricciones intermedias y ramales, se puede aplicar la siguiente relación.

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)

U L

D_y

(4.1.2)

El sistema se considera flexible, si el término de la izquierda es menor o igual 208.30. Esta fórmula fue propuesta por la CIA. M.W. KELLOGG [27]; siendo incorporada al Código en 1955 y denominándose requerimiento de análisis formal.

Este criterio ha tenido varias objeciones, ya que únicamente está fundamentado en la experiencia adquirida, tanto en el diseño como en la operación de plantas de procesó, siendo su origen desconocido.

Por lo antes mencionado, su rango de validez no puede ser examinado teóricamente y presentar fallas para configuraciones no usuales, sin embargo el código la recomienda, considerando la experiencia acumulada.

La fórmula 4.1.2. Se debe utilizar si: • El fluido manejado no es letal. • La línea no es crítica.

• No se opera con temperaturas elevadas.

• No se está conectando equipo rotativo como: bombas, compresores y tuberías. • El diámetro nominal de la tubería no es mayor que 152.40 mm.

• No se deben reportar cargas ejercidas por el sistema de tuberías sobre las boquillas de los equipos interconectados.

• No se desean conocer los esfuerzos en los puntos críticos de la tubería.

Existen diversos criterios similares al mencionado anteriormente, sin embargo se citó este debido al respaldo del Código B31.3.

4.1.3 Métodos con Soluciones Tabuladas.

La característica principal de este tipo de métodos es que sus soluciones se encuentran tabuladas y son adecuados para configuraciones de tuberías que constan de dos a cuatro elementos, las cuales tienen dos puntos de apoyo. Además, en la mayoría de los casos, se consideran que los puntos terminales están anclados. Por otra parte, se deben reconocer que los sistemas propuestos están constituidos por esquinas cuadradas. En otras palabras, únicamente están formados por elementos rectos, lo cual causa que no se tomen en cuenta los efectos de los codos.

Hay que hacer notar, que en algunos casos, para salvar esta deficiencia, se introducen coeficientes de corrección para considerar los factores de intensificación de esfuerzos en los codos.

El procedimiento que usualmente sigue el calculista, consiste en identificar la configuración tabulada a que se asemeje al sistema de tuberías estudiado. Posteriormente se definen los parámetros geométricos, las dimensiones de la sección recta de la tubería, la temperatura de operación, el coeficiente de expansión térmica y el módulo de elasticidad.

Finalmente, se interpolan las condiciones identificadas anteriormente con las tabuladas para determinar las fuerzas y momentos en los puntos terminales y el esfuerzo máximo del sistema en cuestión.

La principal ventaja de este procedimiento es que se puede determinar rápidamente las cargas sobre los extremos de la tubería, así como el esfuerzo máximo. Sin embargo sus limitaciones son que no se pueden determinar los esfuerzos en los codos, así como tomar en cuenta la flexibilidad de los mismos, cuando no se proponen factores de corrección. Por otra parte, está limitado a configuraciones tabuladas y las condiciones precalculadas. Se recomienda emplear esta clase de procedimientos para realizar cálculos preliminares, a fin de determinar si la configuración propuesta es flexible, evitando con esto la pérdida de tiempo en procedimientos más sofisticados.

4.1.4 Métodos Simplificados

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Este grupo está constituido por procedimientos que emplean diversos tramos de tuberías (rectos y curvos) de diferentes diámetros en dos o tres dimensiones, que únicamente tengan dos puntos de apoyo, sin ramales, ni restricciones intermedias.

Uno de los métodos de esta clasificación que se emplea regularmente es el Centro Blástico, el cual ha sido difundido por S. W. Spielvogel [44].

Hay que hacer notar que esta clase de procedimientos se pueden simplificar aún más, considerando que la configuración estudiada este formada por tramos rectos, generando un arreglo de esquinas cuadradas. Dicha práctica no es recomendada por el Código de Diseño ANSI B31.3.

Otros métodos que caen dentro de esta clasificación son: Área momento, viga conjugada y distribución de momentos entre otros.

4.1.5 Métodos Formales.

Los métodos formales tienen la capacidad de considerar dentro del procedimiento de cálculo de los factores de intensificación de esfuerzos y flexibilidad de los codos, así mismo se pueden analizar configuraciones con diversos ramales, varios puntos terminales y restricciones intermedias, cuyos elementos tubulares pueden tener diversos diámetros. Generalmente, su planteamiento es a partir de una base matricial y la tendencia en los últimos años ha sido incrementar su uso.

Sin embargo, cuando el sistema está compuesta por un gran número de elementos de tubería, la formulación matricial implica el manejo de un elevado número de datos, por esta razón se han hecho esfuerzos para implementar programas de computación, logrando con esto tener capacidad para resolver problemas complicados en muy poco tiempo.

El uso de los paquetes de programación causa que la responsabilidad del análisis sea: Decidir que sistemas requieren de un análisis formal; preparar los datos de entrada del paquete de computación empleando; interpretar adecuadamente los datos de salida, los cuales le permitirán determinar si el arreglo propuesto es satisfactorio y decir que partes del sistema deben cambiar su geometría.