FUERZAS Y MOMENTOS EXTERNOS EN BOQUILLAS.

Los sistemas de tuberías son fundamentales en cualquier planta de procesos de la industria mundial de hidrocarburos y sectores conexos. Por el tipo de fluido que generalmente transportan, estos sistemas deben ser adecuadamente diseñados para una operación confiable y segura, aplicando una serie de normas especificas a cada caso, tales como el Código ASME B31 para tuberías (por ejemplo, B31.3), el Código ASME de Calderas y Recipientes a Presión (por ejemplo, Sección III), y guías de ingeniería desarrolladas por empresas de ingeniería o por empresas operadoras del sector hidrocarburos.

Aunque un sistema de tuberías puede describirse apropiadamente como una estructura irregular en el espacio, difiere de las estructuras convencionales en que frecuentemente y debido a sus proporciones esbeltas, puede no ser auto soportada y necesitar estar restringido o guiado para prevenir ciertos efectos. Asimismo las temperaturas de operación, pueden introducir esfuerzos térmicos apreciables o reducir la resistencia del material, hasta el punto de hacer necesaria la ayuda estructural suplementaria.

Por otra parte, cuando el arreglo inicial de las tuberías no es satisfactorio desde el punto de vista de la flexibilidad del sistema, surge la necesidad de proteger el equipo sensible, controlar vibraciones o resistir influencias externas tales como: viento, sismo o cargas por golpes o bien limitar el movimiento de la línea a posiciones especificas, mediante: el cambio de configuración de los sistemas de tubería para reducir su rigidez, ya sea: agregando codos, tramos de tubería que absorban los efectos de la expansión, introduciendo lazos de expansión convencionales (las juntas de expansión no son deseadas), la utilización apropiada y ubicación estratégica de restricciones, la utilización de soportes de resorte en los puntos donde se provean grandes movimientos verticales por la expansión térmica.

Para tubería con temperaturas elevadas, el diseño adecuado de soportes, restricciones y guías, requiere un conocimiento satisfactorio de los efectos de concentraciones de cargas y los gradientes térmicos en las paredes de la tubería y equipo interconectado, así como un buen entendimiento de los cambios térmicos por requisitos de servicio, incluyendo condiciones de emergencia y auxiliares.

Una buena planeación y correcta distribución de soportes de tubería, restricciones y guías, debe ser simultánea al establecimiento de configuraciones adecuadas por flexibilidad, con objeto de obtener una instalación segura y económica, ya que cuando dicha actividad se relega al contratista ó para terminarse en el campo, sólo puede esperarse un tratamiento convencional, que posteriormente conducirá a efectuar cambios para corregir fallas por: pandeo, fugas, equipo dañado, dificultades de mantenimiento, etc.

El análisis de los efectos térmicos y estructurales en tuberías, debe estar íntimamente ligado y en forma paralela a un diseño de soportes suficientemente completo, para asegurar que se cumplan las consideraciones que se hacen para el análisis de flexibilidad, ya que todos y cada uno de los soportes, involucran algún grado de restricción y por otra parte los diversos tipos de restricciones y contraventeos inevitablemente, resisten efectos gravitacionales.

La falta de un análisis formal y el uso poco juicioso ó excesivo de soportes, o la falta de restricciones y guías adecuadas, pueden dar lugar a sobrecargas peligrosas en lugar de dar protección a los equipos delicados, lo cual pueden requerir de recorridos innecesariamente grandes para obtener un funcionamiento satisfactorio.

Particularmente los sistemas de tuberías conectados a bombas centrifugas, y especialmente para servicios a altas temperaturas, generalmente representan uno de los problemas más difíciles para diseñar desde el punto de vista de la flexibilidad. Estos sistemas de tubería deben considerar lo siguiente:

• Debe cumplir con el criterio establecido, acerca de las cargas admisibles en las

conexiones, que para nuestro caso serian las boquillas de la bomba. Este inconveniente, deberá resolverse para todas las condiciones posibles de operación de las bombas, y deberán ser evaluadas para los casos de carga: peso + expansión térmica + presión.

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• El análisis de flexibilidad de este tipo de sistemas que acoplan a bombas centrifugas,

deberá considerar todos los ramales considerados a múltiples comunes.

• Se deben considerar todas las posibles condiciones de operación.

• Las conexiones a las bridas de las bombas, deberán ser consideradas como rígidos y no

flexibles.

• Se deben considerar las condiciones de fricción. etc.

Todo sistema conectado a equipo rotatorio, debe cumplir con los requerimientos de American Petroleum institute en su estándar API 610, párrafo 2.4, que cubre la evaluación de cargas externas aplicadas a la cara de bridas de la bomba, la aplicación de este estándar, deberá hacerse contra los resultados de cargas obtenidas en el modo de operación del sistema. Los requerimientos que aplican a bombas con boquillas de succión de 406 mm (16”) y menores, con carcasas construidas de acero o acero aleado. Se consideran dos efectos en las boquillas: fuerzas y momentos (ver tabla) y deformaciones desarrollados en la carcasa que no deben ser mayores a 0.1 mm, para carcasas construidas de otro material, los proveedores deben proponer cargas semejantes en sus boquillas.

Una vez que se han determinado las fuerzas momentos tanto en la tubería como en las boquillas de los equipos interconectados, surge la pregunta de si la tubería o el equipo interconectado, no sufrirá daños bajo tales fuerzas; para dar respuesta a tal pregunta, es necesario calcular los esfuerzos y/o combinar las fuerzas y momentos para comparar contra los esfuerzos o fuerzas permisibles tanto para la tubería como para el equipo interconectado, por tanto y en este caso, que se procede a evaluar las cargas obtenidas en las boquillas de una bomba horizontal.

3.1.4 “EVALUACIÓN DE CARGAS APLICADAS EN LAS BOQUILLAS DE UNA BOMBA API