11. Diseño por presión de componentes metálicos de tubería
11.2 Diseño a presión de componentes de tubería
11.2.1 Tubo recto. 11.2.1.1 Generalidades. 875 . 0 m n t t =
a) El espesor requerido para una sección de tubo recto metálico, debe determinarse de acuerdo con la ecuación (2):
tm = t + c ( 2 )
El espesor mínimo para el tubo seleccionado, considerando la tolerancia de fabricación, no debe ser menor de tm.
b) La terminología descrita abajo se usa en las ecuaciones para el diseño a presión de tubos rectos:
tm = Espesor mínimo requerido, incluyendo, tolerancias mecánicas, de corrosión y de erosión.
t = Espesor por presión de diseño, calculado según párrafo 11.2.1.2 por presión interna, o bien, de acuerdo con el procedimiento del párrafo 11.2.1.3 para presión externa.
c = Suma de las tolerancias mecánicas, profundidades de roscas o de ranuras más las tolerancias de corrosión y erosión. Para componentes roscados, debe aplicarse la profundidad nominal de la cuerda (dimensión h del ASME B1.20.1 o equivalente).Para superficies maquinadas o ranuradas donde no se especifiquen las tolerancias, éstas deben tomarse como de 0.5 mm (0.02 pulg) además de la profundidad especificada del corte.
T = Espesor de pared del tubo (medido o mínimo conforme a especificación de compra). d = Diámetro interior del tubo . Para cálculos de diseño a presión el diámetro interior del tubo es el valor máximo permitido por la especificación de compra.
P = Presión interna manométrica de diseño. D = Diámetro exterior del tubo como se enlista en las tabla de los estándares o especificaciones o como sea medido.
E = Factor de calidad de las tablas 18 y 19 del apéndice 2.
S = Valor del esfuerzo para materiales de la tabla 16 del apéndice 2.
Y = Coeficiente de la tabla 10 para los materiales indicados, siempre y cuando t sea menor de D/6. Para temperaturas intermedias, el valor de Y puede interpolarse.
Cuando t sea igual o mayor que D/6,
11.2.1.2 Tubo recto bajo presión interna.
Para tubos metálicos, el espesor de diseño de presión interna t , no debe ser menor que el calculado por la siguiente ecuación (3a), siempre que t sea menor que D/6.
)
PY
SE
(
PD
t
+
=
2
(3a)Las siguientes ecuaciones (3b),(3c), o (3d) pueden usarse en lugar de la ecuación (3a)
SE
PD
t
2
=
(3b)
+
−
−
=
P
SE
P
SE
D
t
1
2
(3c))]
1
(
[
2
)
2
(
Y
P
SE
c
d
P
t
−
−
+
=
(3d)(c) Los tubos con t igual o mayor de D/6 o P/SE mayor que 0.385 requieren una consideración especial, tomando en cuenta los factores de diseño y de material, tales como los de teoría de falla, fatiga y esfuerzos térmicos.
c d D c d Y 2 2 + + + = ( 3 )
11.2.1.3 Tubos rectos bajo presión externa y los requerimientos de aros atiesadores
El espesor de diseño de presión t, y los requerimientos de aros atiesadores para tubos rectos bajo presión externa, deben determinarse de acuerdo con el párrafo UG-28 al UG-30 de la sección VIII, División 1, perteneciente al Código ASME, BPV, usando como la longitud de diseño L el recorrido de la longitud de la línea central entre cualquiera de las dos secciones atiesadas de acuerdo con UG-29. Con una excepción, para tubería con D0 /t <10, el valor de S para ser utilizado en la determinación de Pa2 debe ser el menor de los siguientes valores para materiales de tubería a la temperatura de diseño:
(a) 1.5 veces el valor de esfuerzo en la tabla 16 de esta especificación; o
(b) 0.9 veces el esfuerzo de cedencia tabulado en la Sección II, Parte D, Tabla Y-1 para los materiales listados allí. ( El símbolo D0 en la Sección VIII es equivalente al D en esta especificación)
11.2.2 Curvas y segmentos de gajos de tubo metálico
11.2.2.1 Dobleces
El espesor mínimo requerido (tm) de un tubo, después del doblado, se debe determinar igual que para un tubo recto, de acuerdo a la subinciso 11.2.1.
11.2.2.2 Codos
Los codos de fabricación que no estén comprendidos en el párrafo 11.1 deben ser calificados de acuerdo a los requerimientos del párrafo 11.2.7.2
11.2.2.3 Curvas de gajos.
Una bayoneta angular de 3° o menos (ángulo ∝ en la figura 2), no requiere consideración de diseño como un doblez de gajos. Los métodos aceptables para diseño por presión de dobleces
de gajos sencillo o múltiple se proporcionan en (a) y (b).
(a) Curvas de gajos múltiples. La máxima presión interna permisible, debe ser el valor menor calculado por medio de las ecuaciones 4a y 4b. Estas ecuaciones no son aplicables cuando θ exceda de 22.5°.
(
)
− + − − − = c T r tan . ) c T ( c T r c) (T SE Pm 2 2 0643 (4a) − − − = 2 1 2 1 5 0 2 R . r r R ) c T ( SE P r m (4b)(b) Curvas de gajos sencillas.
La máxima presión interna permisible para una curvas de gajos sencilla con θ no mayor de 22.5°, debe calcularse mediante la ecuación (4a).
Para el mismo, pero con θ mayor de 22.5° la máxima presión interna permisible, debe calcularse por medio de la ecuación (4c).
(
)
− + − − − = c T r tan 1.25 ) c T ( ) c T ( r c) T ( SE 2 2 m P (4c)(c) El espesor de la pared del tubo de gajos T usado en las ecuaciones (4a), (4b) y (4c) debe extenderse a una distancia no menor que M desde la bifurcación interior hasta las soldaduras de gajos del extremo, donde:
M= la mayor de 2.5 (r2T) 0.5
y tan θ (R1 – r2) La longitud de la conicidad en el extremo del tubo puede ser incluida en la distancia M.
(d) La terminología siguiente es usada en las ecuaciones (4a), (4b) y (4c) para el diseño a presión para dobleces de gajos:
E = el mismo como se define en 11.2.1.1 Pm = Máxima presión interna permisible para dobleces de gajos.
r2 = Radio medio del tubo usando pared nominal
T
.R1= Radio efectivo del dobles de gajos en mm (pulg), o sea, la distancia más corta entre la línea de centro del tubo a la intersección de los planos adyacentes.
S= Como se define en el párrafo 11.2.1.1 T= Espesor de pared del tubo del gajo (medido o mínimo conforme a las especificaciones de compra).
θ= Angulo del corte del gajo.
∝ = Angulo del cambio de dirección de la juntas al cuerpo del gajo
= 2θ
Para cumplir con esta especificación, el valor R1 no deberá ser menor que el dado por la ecuación (5). 2 1 D Tan A R = + (5)
Donde A tiene los siguientes valores empíricos. (1) para el sistema métrico:
(T-c) , mm A 513 13<(T-c)<22 622 25 2(T-c) [2(T-c) / 3] + 30
(2) para el sistema inglés:
(T-c) , pulg A 50.5 0.5<(T-c)<0.88 60.88 1.0 2(T-c) [2(T-c) / 3] + 1.17
El espesor de pared de segmentos curvos y de gajos sujetos a presión externa, puede determinarse conforme al párrafo 11.2.1.3.
11.2.3 Conexión de ramales. 11.2.3.1 Generalidades.
(a) Los requerimientos establecidos en los párrafos 11.2.3.2 y al 11.2.3.4 son aplicables a la conexión de ramales hechos de acuerdo a los siguientes métodos, excepto lo establecido en el párrafo (b) siguiente.
(1) Conexiones para tuberías (tees, conexiones extruídas para ramales, laterales, cruces, etc.). (2) Conexiones para ramales soldadas, incluyendo boquillas fundidas o forjadas, coples mayores de 3 pulg. de diámetro nominal y adaptadores ó accesorios similares, con extremos para soldar a tope, de inserto soldable, roscados o bridados, para unir el ramal al cabezal, tales accesorios estando unidos al cabezal por soldadura;.
(3) Soldando directamente el ramal al cabezal con o sin adición de refuerzo como se establece en el párrafo 16.2.5.4
(b) Lo establecido en los párrafos 11.2.3.2 hasta el 11.2.3.4 son los requerimientos mínimos, válidos solo para conexiones a ramal en que (usando la nomenclatura de la fig. 11.2.3.3):
(1) la relación del espesor con respecto al diámetro del cabezal (Dh /Th) sea menor a 100 y la relación del diámetro del cabezal con respecto al ramal (Db/Dh) no sea mayor a 1.0.
(2) para el tubo del cabezal con (Dh /Th) ≥ 100, el diámetro del ramal Db sea menor que la mitad del diámetro del cabezal Dh,
(3) el ángulo β sea por lo menos de 45°;
(4) el eje del ramal intersecte al eje del cabezal. (c) Donde la previsiones de (a) y (b) anteriores no se cumplan, la presión de diseño deberá ser calificada como lo establece el párrafo 11.2.3.5.
11.2.3.2 Resistencia de la conexión de ramales.
Una tubería que tenga una conexión a ramal, se debilita por la abertura de dicha tubería y a menos que su espesor esté excedido para soportar la presión, es necesario reforzar la unión. El esfuerzo debe determinarse de acuerdo con los párrafos 11.2.3.3 y 11.2.3.4. Sin embargo, existen ciertas conexiones de ramales que tienen resistencia adecuada o se refuerzan al construirse. Se puede suponer sin calcular, que una conexión de ramal tiene suficiente resistencia para soportar las presiones internas y externas a que va a estar sometida, siempre y cuando:
(a) la conexión al ramal utilice un accesorio para tubería, como una tee, una lateral o una cruz, de acuerdo con el inciso 11.1
(b) el ramal se conecte soldado directamente al cabezal por medio de un cople roscado, de inserto soldable o medio cople, de acuerdo con el párrafo 16.2.5.4 y el tamaño del ramal no exceda de 2 pulg diámetro nominal pulg ¼ del diámetro nominal del cabezal. El espesor mínimo del acoplamiento, en cualquier parte de la zona de refuerzo (si la rosca está en esa zona, el espesor de pared será a partir de la raíz de la rosca al diámetro exterior mínimo), no debe ser menor que aquel que tenga el ramal en donde no haya rosca. En ningún caso podrá usarse un cople o medio cople que tenga un rango de operación menor 3,000 lb según ASME B16.11.
(c) el ramal se conecte al cabezal mediante la soldadura de una conexión integralmente
reforzada (con salida, ya sea roscada, de caja soldable o biselada para soldadura a tope), siempre y cuando la conexión que se suministre esté hecha según las especificaciones de materiales de la tabla 16 del Apéndice 2 y demostrar que ha sido probado a presión interna a escala completa en piezas semejantes o probadas por otros medios descritos en el párrafo 11.2.7.2 que demuestren que dicha conexión es, cuando menos, tan resistente como el tubo del cabezal o del ramal.
11.2.3.3 Refuerzo de conexiones soldadas para ramales.
Se requiere refuerzo adicional, cuando éste no se proporciona inherentemente en los componentes de una conexión a rama para satisfacer los criterios en (a) y (b) siguientes: (a) Terminología. Los términos descritos a continuación, se usan en el diseño a presión de conexiones de ramales (ver figura 3) dicha figura no indica detalles de construcción o de soldadura, sólo es ilustrativa de la terminología. b = subíndice para referirse al ramal
ß = ángulo menor entre ejes de ramal y del cabezal.
c = como se define en el párrafo 11.2.1.1. d1 = longitud efectiva en la tubería principal, removida por la perforación.
d2 = mitad del ancho de la zona de refuerzo medida a lo largo de la tubería principal = d1; ó
( Tb – c ) + ( Th – c ) +
2
d
1Cualquiera que sea mayor, pero en ningún caso mayor a Dh
h = subíndice para referirse al ramal.
L4 = altura externa de la zona de refuerzo, del cabezal.
= 2.5 ( Th – c ) o 2.5 (Tb – c ) + Tr, cualquiera que sea menor.
Tr = espesor mínimo del anillo de refuerzo o silleta, echa de tubo (usar espesor nominal, si se hace de placa).
= cero , cuando no halla silleta ni anillo de refuerzo.
Tb = espesor real del tubo por medición o espesor mínimo permitido por su especificación, excepto para conexiones a ramal reforzadas integralmente. Para tales conexiones, el valor de Tb para usarlo en los cálculos L4, d2 y A3, es el espesor del tramo reforzado (mínimo permitido por su especificación) siempre que el espesor del tramo sea uniforme y se extienda por lo menos hasta el limite de L4 (ver figura 3).
t = espesor de tubo calculado por presión de acuerdo con la ecuación apropiada para el espesor de pared, o bien, con el procedimiento del subinciso 11.2.1. Para tubos soldados, cuando el ramal no intercepte la soldadura longitudinal del cabezal, el esfuerzo permisible básico S, para el tubo puede usarse para determinar th para calcular el refuerzo solamente. Cuando el ramal intercepte la soldadura longitudinal de la tubería, se debe utilizar en el cálculo, el producto SE del cabezal (del valor de esfuerzo S y el factor de calidad de junta apropiado Ej, de la tabla 19). El producto SE del ramal debe utilizarse en el cálculo de tb.
(b) Area requerida de refuerzo. El área requerida de refuerzos A1 para la conexión de un ramal bajo presión interna, debe ser
A1 = th d1 (2 – sen β) (6) Para una conexión a ramal bajo presión externa, el área A1 es la mitad del área requerida por presión interna.
(c) Area disponible. El área disponible para refuerzo esta definida como:
A2 + A3 + A4 ≥ A1 (6a)
Estas áreas son todas aquellas dentro de la zona de refuerzo y son mas ampliamente definidas a continuación.
(1) El área A2 es el área resultante de cualquier exceso de espesor en la pared del cabezal:
A2 = ( 2 d2 – d1 ) ( Th–- th –- c ) (7) (2) Area A3 es aquella resultante de cualquier exceso de espesor disponible en la pared del tubo del ramal:
A3 = 2 L4 ( Tb – tb – c ) / senβ (8) Area A4 es la de todos los demás metales, suministrada por el metal de soldadura y por refuerzos de metal, apropiadamente unidos a la tubería o al ramal. En el cálculo de áreas de depósitos de metal de soldadura, deben utilizarse las dimensiones mínimas requeridas en el párrafo 16.2.5.4, a menos que se instruya al soldador para que dé mayores dimensiones especificadas en cuyo caso, estas dimensiones deben usarse en el cálculo.
(d) Zona de refuerzo. La zona de refuerzo es un paralelogramo cuya longitud debe extenderse a una distancia d2 a cada lado del eje longitudinal del tubo del ramal, y cuyo ancho debe comenzar en la superficie interna del cabezal, en sus condiciones de tubo corroído y extendiéndose hasta una distancia L4 a partir de la superficie exterior del cabezal, medida perpendicularmente a su superficie exterior.
(e) Ramales múltiples. Cuando dos o más aberturas adyacentes, estén poco espaciadas y se traslape su zona de refuerzo, las dos o más aberturas deben ser reforzadas, de acuerdo con los párrafos (b) y (c) anteriores. Ninguna porción de la sección transversal del metal se puede aplicar a más de una abertura o ser evaluada mas de una vez en cualquier área combinada. Cuando se prevean dos o más aberturas con un refuerzo combinado, La distancia mínima entre centros cualquiera que sea, deberá ser cuando menos 1½ veces el diámetro promedio, y el área de refuerzo entre ellas debe ser cuando menos 50 % del total requerido para esas dos aberturas. (Se puede consultar la Norma PFI ES-7 para
recomendaciones del espaciamiento entre boquillas soldadas).
(g) Refuerzos adicionales
(1) Los refuerzos adicionales en forma de anillo o silleta, como parte del área A4, deben ser de un ancho constante, razonablemente.
(2) Los materiales usados para refuerzo, pueden diferir de los del cabezal, siempre y cuando sean compatibles con los tubos, tanto del cabezal como del ramal, respecto a soldabilidad, requerimientos de tratamiento térmico, corrosión galvánica y expansión térmica, etc.
(3) Si el esfuerzo permisible para los materiales del refuerzo es menor al del tubo del cabezal, debe reducirse el área calculada de este refuerzo en la misma proporción que los valores de esfuerzo permisibles utilizados en la determinación de su contribución al área A4.
(4) No debe darse ningún crédito adicional a materiales con valores permisibles de esfuerzo mayores que los del cabezal.
11.2.3.4 Refuerzos en cabezales con salidas extruídas.
(a) Los principios para el refuerzo establecidos en 11.2.3.3 son aplicables, esencialmente, a cabezales con salidas extruídas. Un cabezal con salida extruídas es una longitud de tubo en la cual una o más salidas para conexión de ramales han sido formadas por extrusión, utilizando una o varias matrices (dados) para controlar el radio de extrusión. La salida extruída se proyecta sobre la superficie del cabezal una distancia hx que debe ser por lo menos igual al radio externo de la salida rx (esto es hx≥ rx ).
(b) Las reglas del párrafo 11.2.3.4 son los requerimientos mínimos, válidos solo dentro de los límites de la geometría mostrada en la fig. 4 y donde el eje de la salida intercepte y sea perpendicular al eje del cabezal. Donde estos requerimientos no se cumplan, o donde el material no sea de una sola pieza, como en el caso del anillo o la silleta, la presión de diseño debe ser calificada de acuerdo con el párrafo 11.2.7.2.
(c) Terminología. La terminología usada aquí se ilustra en la fig.4. Note que el subíndice x significa extruído. Para los términos no enlistados aquí se puede recurrir al párrafo 11.2.3.4 (a).
dx = diámetro interior del diseño en la salida extruída medida en el nivel de la superficie exterior del cabezal; esta dimensión se toma después de eliminar las tolerancias mecánicas y de corrosión, y toda tolerancia del espesor.
hx = altura de la boquilla extruída. Debe ser igual o mayor que rx excepto como se muestran en el detalle (b) de la figura 4.
L5 =altura de la zona reforzada = 0.7
D
bT
xTx= Espesor del acabado corroído de la boquilla extruída, medido a una altura igual o mayor que rx arriba de la superficie exterior del cabezal.
D2 = Mitad del ancho de la zona de refuerzo (igual a dx ).
rx= Radio de curvatura de la porción del contorno de la boquilla, medido en el plano que contiene los ejes del cabezal y del ramal.
Limitaciones para el radio rx. El radio del contorno exterior rx esta sucio a las siguientes limitaciones: (1) rx mínimo. La menor de 0.05 Db y 38 mm (1.5 in);
(2) rx máximo. no debe exceder de: (a) para Db<8 in de diámetro nominal, 32 mm (1.25 pulg)
(b) para Db≥8 in de diámetro nominal, 0.1Db +13 mm (0.5 pulg);
(3) Cuando el contorno externo contenga más de un radio, aplican los requerimientos de (1) y (2) anteriores.
(4) No debe emplearse el maquinado para cumplir los requerimientos anteriores.
(e) Area de refuerzo requerida. El área requerida de esfuerzo se define como:
AI = K th dx (9) Donde K debe determinarse como sigue:
(1) Para Db / Dh > 0.60, K = 1.00 (2) Para 0.60 ≥ Db / Dh >0.15, K = Par 0.60 +2/3(Db/Dh).
(3) Para Db / Dh≤ 0.15, K = 0.70.
(f) Área disponible. El área disponible refuerzo esta definida como:
A2 + A3 + A4 ≥ A1 (9a)
Todas estas áreas están dentro de la zona de refuerzo y se definen más ampliamente a
continuación. (1) Área A2. Es aquella resultante de un exceso
de espesor disponible en la pared del cabezal. A2 = dx ( Th – th ) (10) (2) Área A3. Es aquella resultante de un exceso de espesor disponible de la pared del tubo del ramal
A3 = 2L5 ( Tb – tb ) (11) (3) Area A4. Es aquella resultante del exceso de espesor disponible en el labio externo del cuello extruído.
A4 = 2rx ( Tx – Tb ) (12) (g) Refuerzo en aberturas múltiples. Deben seguirse las reglas del párrafo 11.2.3.3 (e), excepto que el área requerida y la de refuerzo, deben ser como se establece en los párrafos 10.2.4.4
(h) Identificación. Además de lo anterior, el fabricante debe ser responsable de marcar sobre el cabezal que contenga las salidas extruídas, la presión y la temperatura de diseño, más el símbolo “B–31.3“, para indicar la sección de Código aplicable. De igual modo debe marcarse el nombre del fabricante sobre el cabezal.
11.2.3.5 Consideraciones adicionales para diseño de ramales.
Los requerimientos de los párrafos 11.2.3.1 al 11.2.3.4 están destinados a asegurar un desempeño satisfactorio de conexión de ramales, sujetos solamente a presión, debiendo el diseñador también considerar lo siguiente:
(a) Además de las cargas por presión, se aplican fuerzas externas y movimientos a la conexión del ramal, originados por expansión y contracción, por cargas vivas y muertas, así como por movimientos de los extremos de tubería y soportes. Debe darse especial consideración en el diseño de conexión de ramales para resistir estas fuerzas y movimientos.
(b) Bajo las siguientes circunstancias se deben evitar las conexiones del ramal directamente al cabezal por medio de soldadura:
(1) Cuando el diámetro del ramal se aproxime al del cabezal, particularmente si el tubo se formó con más de 1.5 % de pretensado en frío o expandido de un material sujeto a trabajos de endurecimiento, si se usa como cabezal.
(2) Donde se pueden ejercer esfuerzos repetitivos sobre la conexión, por medio de vibración, presión pulsante, ciclaje térmico, etc. En tales casos, se recomienda que el diseño sea conservador y que se dé la debida consideración al uso de abrazaderas (tees) bipartidas, silletas o refuerzos de cobertura completa.
(c) Debe suministrarse la adecuada flexibilidad en líneas de diámetros menores cuando sean ramales de un ramal mayor, a fin de que absorban la expansión térmica y otros movimientos de la línea mayor.
(d) En caso de usar aros atiesadores o abrazaderas, para rigidizar la conexión del ramal, sus áreas no deben contar como contribución al área de refuerzo definida en el párrafo 11.2.3.3(c) o 11.2.3.4(f). Sin embargo, pueden usarse rebordes o contraventeos para fortalecer la conexión del ramal en lugar del refuerzo cubierto en los párrafos 11.2.3.3 y 11.1.3.4 si el diseño es calificado como se establece en el párrafo 11.2.7.2.
(e) Para conexiones a ramal que no cumplan con los requerimientos del párrafo 11.2.3.1(b), el refuerzo integral, refuerzo de envoltura completa u otros medios de refuerzo deben ser considerados
11.2.2.4 Segmentos de tubo curvos y de gajos y bajo presión externa.
11.2.4.1 Generalidades.
(a) Las tapas para las cuales no se dan las reglas de diseño en el párrafo 10.1 ó 11.2.4.1(b), deben cumplir los requerimientos del párrafo 11.2.7.2.
(b) En cuanto a material y condiciones de servicio, las tapas pueden diseñarse de acuerdo con las reglas contenidas en la sección VIII, División 1 del ASME, BPV, calculadas con la siguiente ecuación (13):
tm = t + c (13)
Donde:
tm = Espesor mínimo requerido, incluyendo la