SISTEMAS DE TUBERÍA EN PLANTAS
INDUSTRIALES – DISEÑO Y
CAPÍTULO
PÁGINA
0. INTRODUCCIÓN
...
4
1. OBJETIVO
...
4
2. ALCANCE
...
4
3. CAMPO
DE
APLICACIÓN
...
5
4. ACTUALIZACIÓN
...
5
5. REFERENCIAS
...
5
6. DEFINICIONES
...
6
7. SÍMBOLOS
Y
ABREVIATURAS
...
7
8. DESARROLLO
... ... 8
8.1
Diseño mecánico... 8
8.2
Flexibilidad
y soportes ... 19
8.3
Diseño de tuberías... ... 31
8.4
Especificaciones de materiales ... ... 39
9. RESPONSABILIDADES
... 41
10. CONCORDANCIA CON NORMAS MEXICANAS O INTERNACIONALES
...
41
11. BIBLIOGRAFÍA
...
41
12. ANEXOS
...
43
12.1
Información mínima con que debe contar el contratista para llevar a
cabo el diseño de tuberías ... 43
12.2
Información y documentación mínima que deben proporcionar a PEMEX los
contratistas o proveedores durante el desarrollo y al terminar el proyecto ... 44
Dentro de las actividades que se llevan a cabo en Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios, se
encuentra la contratación de servicios de ingeniería de diseño de tuberías, la especificación de materiales y
accesorios para su adquisición, los cuales son requeridos para la construcción de los sistemas de tubería de
proceso y servicios auxiliares de las instalaciones de producción terrestre, costafuera y plantas industriales de
Petróleos Mexicanos.
Con el objeto de unificar criterios, aprovechar las experiencias y conjuntar los resultados de las diversas áreas
de PEMEX, se emite la presente norma de referencia a través del Comité de Normalización de Petróleos
Mexicanos y Organismos Subsidiarios.
Este documento se realizó en atención y en cumplimiento a:
•
Ley Federal sobre Metrología y Normalización y su Reglamento.
•
Ley de Adquisiciones, Arrendamientos y Servicios del Sector Público y su reglamento.
•
Ley de Obras Públicas y Servicios Relacionados con las Mismas y su reglamento.
•
Guía para la Emisión de Normas de Referencia de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios.
Participaron en su elaboración y/o revisión las direcciones de Petróleos Mexicanos, instituciones y empresas
que se indican a continuación:
Pemex Exploración y Producción.
Pemex Refinación.
Pemex Gas y Petroquímica Básica.
Pemex Petroquímica.
Petróleos Mexicanos.
Instituto Mexicano del Petróleo.
CPI, Ingeniería y Administración de Proyectos, S.A. de C.V.
Engineering de México, S. de R. L. de C.V.
1. OBJETIVO.
Establecer los requisitos que deben cumplir los servicios de ingeniería de diseño de los sistemas tuberías, así
como las especificaciones de materiales que se adquieran.
2. ALCANCE.
Esta norma es de aplicación general y observancia obligatoria en las áreas de Petróleos Mexicanos y
Organismos Subsidiarios, para el diseño y la especificación de materiales y accesorios de los sistemas de
tubería de proceso y servicios auxiliares de las plantas de producción terrestres y costa afuera e industriales de
Petróleos Mexicanos. Por lo tanto debe incluirse en los procedimientos de contratación: licitación pública,
invitación a cuando menos tres personas, o por adjudicación directa, como parte de los requisitos técnicos que
debe cumplir el proveedor, contratista o licitante.
4. ACTUALIZACIÓN.
Esta norma de referencia se debe revisar y actualizar, por lo menos cada cinco años, o antes si las sugerencias
de cambio o recomendaciones lo ameritan.
Las sugerencias para la revisión y modificación de la presente norma de referencia, deben enviarse al
secretario técnico de del Subcomité Técnico de Normalización de Pemex Exploración y Producción, quien debe
programar y realizar la actualización de la norma de referencia de ser procedentes las modificaciones y en su
caso a través del Comité de Normalización de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios, inscribirla en el
programa anual de normalización.
Las propuestas y sugerencias, deben dirigirse por escrito a:
Pemex Exploración y Producción
Subcomité Técnico de Normalización
Bahía de Ballenas Núm. 5, P.B.
Col. Verónica Anzures, D.F., C.P. 11300
Teléfono directo: 19-44-92-86
Conmutador 19-44-25-00, ext. 3.80.80; fax: 3.26.54
Correo electrónico:
mpachecop@pep.pemex.com
5. REFERENCIAS.
5.1
NRF-010-PEMEX-2001 “Espaciamientos mínimos y criterios para la distribución de instalaciones
industriales en centros de trabajo de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios”.
5.2
NRF-027-PEMEX-2001
“Espárragos y tornillos de acero aleado e inoxidable para servicios de alta y
baja temperatura”.
5.3
NRF-031-PEMEX-2002 “Sistemas de desfogues y quemadores en instalaciones de Pemex Exploración
y Producción”.
5.4
NRF-035-PEMEX-2004 “Sistemas de tubería en plantas industriales – Instalación y pruebas”.
5.5
NRF-107-PEMEX-2004 “Modelos electrónicos tridimensionales inteligentes”.
ambientes que contienen H
2S en producción de petróleo y gas).
5.8
ISO 13703 Petroleum and natural gas Industries - Design and installation of piping systems on offshore
production platforms (Industrias del petróleo y gas natural – Diseño e instalación de sistemas de tubería
en plataformas de producción costafuera).
5.9
ISO 15649 Petroleum and natural gas industries – Piping (Industrias del petróleo y gas natural –
Tubería).
6. DEFINICIONES.
Para los fines de esta norma aplican las siguientes definiciones:
6.1
Bases de diseño.
Es el documento, que de acuerdo a los requisitos del usuario, establece las
características especificas de los equipos y materiales requeridos por el proyecto, los tipos de estructuras, los
sistemas de seguridad, servicios auxiliares, sistemas de comunicación y filosofía de operación.
6.2
Bases de usuario.
Es el documento en el cual se establecen las capacidades, rendimientos, vida útil,
condiciones de operación, condiciones ambientales, características físicas y químicas de los productos a
transportar, así como requisitos de seguridad, flexibilidad operativa y la normatividad aplicable.
6.3
Componentes de tubería.-
Son los elementos mecánicos para unir o ensamblar sistemas de tubería
para conducir fluidos a presión. Los componentes de referencia incluyen tubo rígido, tubo flexible, accesorios,
bridas, empaques, espárragos, válvulas; y dispositivos como juntas de expansión, juntas flexibles, mangueras
de presión, trampas, filtros, instrumentos y separadores.
6.4 Diseño
mecánico
. Es la parte del diseño de tuberías que comprende el cálculo del espesor de pared,
tomando en consideración las condiciones y propiedades del fluido a conducir; así como los factores
ambientales y cargas externas a las que pueda estar sometida dicha tubería. Incluye por lo tanto, la definición
de las propiedades mecánicas que debe reunir, para soportar los esfuerzos a los que pueda estar sometida.
6.5 Diseño
de
tubería.
Son los arreglos geométricos de tuberías en campo, los cuales se desarrollan en
función de los planos de urbanización y localización de equipos y estaciones de servicio de la instalación en
proyecto y/o modernización o ampliación, de las alturas y elevaciones requeridas, de los diagramas de tuberías
e instrumentación (DTI´s) y de las condiciones de operación establecidas en las bases de diseño.
6.6 Equivalente.
Es aquel documento que no sea Norma Oficial Mexicana (NOM), Norma Mexicana
(NMX), Norma Internacional (ISO o IEC) ni norma de referencia (NRF), que demuestre cumplir como mínimo
con los requisitos y/o características físicas, químicas, mecánicas o de cualquier naturaleza que establece el
documento normativo citado en esta norma de referencia.
6.10 Ingeniería
básica.
Son los documentos en los que se plasma la información principal que se requiere
para el desarrollo del diseño de una instalación o planta industrial, tales como: Diagramas de balance de
materia y energía, diagramas de flujo de proceso y de tubería e instrumentación, hojas de datos entre otros.
6.11
Ingeniería de detalle.
Es el diseño detallado, que se desarrolla a partir de las bases de diseño, la
ingeniería básica y los requisitos establecidos en esta norma, involucra a todas las disciplinas de ingeniería que
intervienen en su desarrollo de acuerdo al tipo de proyecto.
6.12 Nominal.
Es una identificación numérica para dimensiones, capacidades, esfuerzos, Clases u otras
características, que se utiliza como una designación, no como una medida exacta.
6.13 Termofluencia.
Deformación continua y lenta de un material por la acción de cargas sostenidas a altas
temperaturas en el transcurso del tiempo.
6.14 Tubería
de
desfogues.
Tubería diseñada para conducir hidrocarburos normalmente gaseosos ó en
fases gas-líquido, que son relevados de los dispositivos de seguridad hasta los sistemas de recuperación,
tratamiento y/o quemado.
6.15
Tubería de instrumentos.
Es la tubería que conduce fluidos para accionamiento de los instrumentos
de control de una planta, el cual generalmente es aire.
6.16
Tubería de proceso.
Es la tubería que conduce fluidos para suministrar la carga a las unidades de
proceso las cuales conectan equipos como cambiadores de calor, acumuladores, separadores, reactores,
columnas, calentadores a fuego directo, deshidratadores, compresores, bombas y filtros entre otros equipos que
intervienen en los procesos, incluye las tuberías de las unidades de almacenamiento y venta.
6.17
Tubería de servicios auxiliares.
Son tuberías que conducen fluidos para suministrar los servicios de
ayuda a los procesos de las instalaciones industriales. Ejemplos de servicios auxiliares, gas combustible, agua
de enfriamiento, vapor, entre otros.
7. SÍMBOLOS
Y
ABREVIATURAS.
API
American petroleum institute (Instituto americano del petróleo).
ASME
American society of mechanical engineers (Sociedad americana de ingenieros mecánicos).
ASTM
American society for testing and materials (Sociedad americana para pruebas y materiales).
AWS
American Welding Society (Sociedad Americana de Soldadura).
BPV
ASME Boiler and pressure vessel (Recipientes a presión y calderas).
DN
Diámetro nominal (Sistema Internacional).
MSS
Manufacturers Standardization Society of Valve and Fittings Iindustry (Sociedad de estandarización de
fabricantes de la industria de válvulas y conexiones).
NACE
National Association of Corrosion engineers (Asociación Nacional de Ingenieros en Corrosión).
NPT
Nominal pipe thread (Rosca nominal para tubería).
NPS
Nominal Pipe Size (Diámetro nominal de tubería).
PTFE
Politetrafluoroetileno (Teflón).
Rms
Root mean square (Cuadrado de la media de la raíz).
UNS
Unified numbering system (Sistema unificado de numeración).
Ø
Diámetro.
8. DESARROLLO.
8.1 Diseño
mecánico.
8.1.1 Generalidades.
En este apartado se establecen las condiciones que rigen el diseño mecánico como son: las
temperaturas, presiones y esfuerzos aplicables a los sistemas de tuberías. También deben tomarse en
cuenta las condiciones ambientales, los esfuerzos externos y los asociados con los equipos a los que se
conecten por medio de tuberías o accesorios. Para requisitos adicionales ver normas ISO 13703 y 15649.
8.1.2 Requisitos
de
diseño.
8.1.2.1 Presión
de
diseño.
La presión de diseño debe estar arriba en un 10% ó 0,172 MPa (25 lb/pulg²), la que resulte mayor, de la máxima
esperada (interna) a la temperatura mínima para líneas criogénicas o máxima para líneas calientes, durante la
operación normal. Para presión externa de diseño, referirse al 8.1.2.11.3 de esta norma. La condición mayor
esperada, es aquella en la que se obtenga el mayor espesor requerido para la tubería y el mayor rango o Clase
para los accesorios.
8.1.2.2 Sistemas de alivio de presión.
La temperatura de diseño de un sistema de tubería, es la temperatura que en combinación con la condición de
presión, arroje el mayor espesor de pared requerido de acuerdo con 8.1.2.1.
Para determinar las temperaturas de diseño se deben considerar por lo menos la temperatura del fluido,
temperatura ambiente, radiación solar, temperatura media de calentamiento o enfriamiento y las previsiones
aplicables.
La temperatura puede establecer requerimientos de propiedades específicas del material, por tal motivo, en el
diseño de sistemas de tubería, se deben indicar tanto en las bases de diseño como en demás documentos del
proyecto, las temperaturas (máxima y mínima) de diseño. Ver 8.1.2.4.4.
8.1.2.4 Influencia del ambiente.
8.1.2.4.1 Efectos en la presión por enfriamiento.
El enfriamiento de un gas o vapor en un sistema de tubería, puede reducir la presión lo suficiente como para
crear un vacío interno. En tal caso, la tubería debe resistir la presión externa creada coincidente con la menor
temperatura, o de otro modo, se deben proveer los medios para romper el vacío.
8.1.2.4.2 Efectos por calentamiento de fluidos.
Deben tomarse previsiones en el diseño, para resistir o para relevar el incremento de presión causado por el
calentamiento del fluido estático, contenido en la tubería.
8.1.2.4.3 Congelamiento.
En los casos donde la temperatura mínima de diseño sea menor a 0 °C (32 °F), se deben tomar las
precauciones necesarias en el diseño, para evitar la condensación y formación de hielo.
8.1.2.4.4 Baja temperatura ambiental.
Se debe considerar el efecto de la baja temperatura ambiental en el análisis de esfuerzos por desplazamientos,
debidos a la contracción de los materiales.
8.1.2.5 Efectos
dinámicos.
A continuación se describen los fenómenos naturales o inducidos que pueden provocar efectos dinámicos en
los sistemas de tubería y que deben considerarse en el diseño mecánico y estructural.
8.1.2.5.1 Impacto.
Deben tomarse en cuenta en el diseño de los sistemas de tubería, las fuerzas de impacto causadas por
condiciones externas o internas, como cambios en el rango de flujo, golpes de ariete, cambios de fase (flasheo)
o cargas de oleaje en tuberías localizadas en la parte inferior de la primer cubierta en plataformas marinas.
8.1.2.5.2 Viento.
Las cargas accidentales son originadas normalmente por efectos naturales como tornados, huracanes, entre
otras, las cuales generalmente son de corta duración, pero son muy severas y deben tomarse en cuenta en el
diseño.
8.1.2.7
Efectos de expansión y contracción térmica.
Los siguientes efectos térmicos, combinados con cargas y otros esfuerzos, deben tomarse en cuenta en el
diseño del sistema de tubería.
8.1.2.7.1 Esfuerzos por efectos térmicos.
Estas cargas consisten en empujes y momentos, producidos en el sistema de tubería por la expansión o
contracción térmica.
8.1.2.7.2 Esfuerzos debidos a gradientes de temperatura.
Estos esfuerzos se originan en la pared del tubo, como resultado de un cambio rápido de temperatura o por una
distribución desigual de ésta, tal como la de un fluido muy caliente a través de un tubo de pared relativamente
gruesa, o debido a un flujo en dos fases estratificado, que causa flexión en la tubería.
8.1.2.7.3 Efectos de soportes, anclajes y movimientos en los extremos.
Se deben tomar en cuenta en el diseño de sistemas de tubería, los efectos del movimiento de soportes,
anclajes y equipo conectado,. Estos movimientos pueden resultar de la flexibilidad y/o expansiones térmicas de
equipos, soportes o anclas; por asentamiento, oscilaciones por viento o movimientos por oleaje en plataformas
marinas.
8.1.2.7.4 Efectos
cíclicos.
La fatiga debida a cargas cíclicas por presión, temperatura u otras, deben tomarse en cuenta en el diseño de
tuberías.
8.1.2.8
Variaciones en las condiciones de presión- temperatura.
Variaciones en la presión, en la temperatura o en ambas, pueden ocurrir en un sistema de tubería, las cuales se
deben considerar en la determinación de las condiciones de diseño.
8.1.2.8.1 Materiales para componentes con rangos establecidos.
En los documentos técnicos listados en la Tabla 326.1 del ANSI/ASME B31.3 ó equivalente, se establecen las
características, las propiedades mecánicas y químicas y los rangos de presión–temperatura que deben tener los
componentes de tubería.
En cualquier ecuación de esta norma donde aparezca el producto SE, el valor S se debe multiplicar por
el siguiente factor de calidad de junta:
a1)
Factor de junta soldada longitudinal (E
j)
. Establecido en 8.1.2.9.3 y tabulado para varias
especificaciones y Clases de material en la Tabla A-1B y para varios tipos de juntas e inspecciones
adicionales en la Tabla 302.3.4, ambas del ANSI/ASME B31.3 ó equivalente.
a2) Los valores de esfuerzo de la Tabla A-1 del ANSI/ASME B31.3 ó equivalente, están agrupados por
materiales y formas del producto y para temperaturas establecidas hasta los límites previstos en
8.1.2.1 (a) de esta norma. Se permite la interpolación lineal entre los valores de temperatura. El
término temperatura se refiere a la temperatura de diseño (véase 8.1.2.3).
b)
Esfuerzo cortante y de apoyo
. El esfuerzo cortante permisible debe ser de 0,80 del esfuerzo básico
admisible a la tensión del material, tabulado en la Tabla A-1 del ANSI/ASME B31.3 ó equivalente. Los
esfuerzos permisibles de apoyo, deben ser 1,60 del esfuerzo permisible básico a la tensión.
c)
Compresión.
El esfuerzo permisible a la compresión, no debe ser mayor que el esfuerzo básico
adrmisible a la tensión tabulado en la Tabla A-1 del ANSI/ASME B31.3 ó equivalente. Se debe
considerar la estabilidad estructural del material.
8.1.2.9.2 Esfuerzos permisibles de diseño.
Los valores de esfuerzos permisibles básicos a la tensión de los materiales contemplados en esta norma, se
determinan de acuerdo al 8.1.2.9.1.
8.1.2.9.3 Factor de calidad de junta soldada E
j.a) Factores de calidad básicos. Los factores E
jde calidad de junta soldada, deben ser los indicados en la
Tabla A-1B del ANSI/ASME B31.3 ó equivalente. Los factores básicos para juntas soldadas rectas
longitudinales, para componentes a presión, deben ser los indicados en la Tabla 302.3.4 del
ANSI/ASME B31.3 ó equivalente.
b) Factores de calidad incrementados. La Tabla 302.3.4 del ANSI/ASME B31.3, indica factores mayores
de calidad de junta, los cuales pueden sustituirse por los indicados en la Tabla A-1B del ANSI/ASME
B31.3 ó equivalente, para ciertas Clases de soldadura, siempre que se lleve a cabo una inspección
adicional, más allá de lo requerido por la especificación del producto.
8.1.2.9.4 Límites de esfuerzos calculados debidos a cargas sostenidas y deformaciones por
temperatura.
a)
Esfuerzos por presión interna. Los esfuerzos debidos a la presión interna, deben considerarse cubiertos
cuando el espesor de pared del componente de la tubería y sus refuerzos, cumplen los requisitos de
8.1.2.11, de esta norma.
b)
Esfuerzos por presión externa. Los esfuerzos debidos a presión externa, deben considerarse cubiertos,
cuando el espesor de pared de los componentes de tubería y sus medios de rigidez, cumplan los
requisitos de 8.1.2.11, de esta norma.
c) Esfuerzos
longitudinales
S
L. La suma de los esfuerzos longitudinales en cualquier componente de un
sistema de tubería debido a presión, peso propio y otras cargas sostenidas S
L, no debe exceder el valor
de S
h, definido en el inciso (d) siguiente. El espesor del tubo usado en el cálculo de S
L, debe ser el
espesor nominal
Τ
, menos las tolerancias por corrosión y por erosión mecánicas.
Cuando
Sh
sea mayor que
SL
, la diferencia puede adicionarse al término 1/4 S
hen la ecuación
(3a). En ese caso, el rango de esfuerzos de desplazamiento permisibles por temperatura, es
calculado por la ecuación (1b):
S
A=
f [1,25 (S
c+ S
h) – S
L]
(1b)
Nota: En el análisis de los esfuerzos permisibles por temperatura, referirse a lo indicado en el capítulo II párrafo 319.2.3 del ANSI/ASME B31.3 ó equivalente.
En las ecuaciones (3a) y (3b)
S
c= Esfuerzo permisible
1del material, a la temperatura mínima esperada durante el ciclo de
análisis.
S
h= Esfuerzo permisible
1del material a la temperatura máxima esperada durante el ciclo de
análisis
f = Factor de reducción del rango de esfuerzos
2para condiciones cíclicas de acuerdo a la
Tabla 1, ó calculado por la ecuación (1c)
3.
f
= 6,0(N)
-0,2≤
1,0 (1c)
Ciclos, N Factor, f Ciclos, N Factor, f
7 000 y menor 1,0 <45 000 a 100 000 0,6
< 7 000 a 14 000 0,9 <100 000 a 200 000 0,5
<14 000 a 22 000 0,8 <200 000 a 700 000 0,4
<22 000 a 45 000 0,7 <700 000 a 2 000 000 0,3
Tabla 1 Factor de reducción del rango de esfuerzo “f”.
Donde:
N
= Número equivalente de ciclos completados por desplazamiento durante la vida de servicio
esperada del sistema de tubería
4.
Cuando el rango de esfuerzos calculado varía, ya sea por la expansión térmica u otras
condiciones, S
E,se define como el mayor rango de esfuerzos de temperatura calculado. En tal
caso el valor de N se puede calcular con la ecuación (1d):
N = N
E+
∑
(r
i 5N
i) para i =1,2, …..n
(1d)
Donde:
junta soldada Ej.
2.- Aplica esencialmente a tubería sin corroer. La corrosión puede disminuir severamente el periodo de vida cíclica, por consiguiente, los materiales resistentes a la corrosión se deben considerar donde se espera un mayor número de ciclos de esfuerzos.
3.- La ecuación (1c) no aplica mas allá de aproximadamente 2 x 106 ciclos. La selección de factores por arriba de 2 x 106
ciclos es responsabilidad del diseñador.
4.- El diseñador debe considerar, que el periodo de vida en condiciones de fatiga del material utilizado a
temperaturas
elevadas puede reducirse.
8.1.2.9.5
Límite de esfuerzos, debidos a cargas ocasionales.
a) Operación. La suma de los esfuerzos longitudinales debidos a la presión, peso propio y otras cargas
sostenidas S
Ly la de los esfuerzos producidos por cargas ocasionales como las de viento o terremotos
pueden considerarse como 1,33 veces de los esfuerzos permisibles dados en el Apéndice A del
ANSI/ASME B31.3 ó equivalente, excepto donde el esfuerzo permisible exceda en 2/3 la resistencia al
límite de fluencia, el esfuerzo permisible debe ser reducido. Las fuerzas de viento y sismo no necesitan
ser consideradas actuando al mismo tiempo. (El diseñador debe considerar que el periodo de vida del
material utilizado a temperaturas elevadas en condiciones de fatiga puede reducirse).
En el caso de tuberías localizadas sobre los puentes de plataformas, debe considerarse la combinación
mas desfavorable de cargas sostenidas y las ocasionadas por movimiento de la plataforma, producidas
por efecto de oleaje para periodo de recurrencia de 100 años.
b)
Pruebas. Los esfuerzos debidos a condiciones de prueba, no están sujetos a las limitaciones de 8.1.2.9.
No es necesario considerar otras cargas eventuales, tales como viento y sismo actuando
simultáneamente con los esfuerzos de prueba.
8.1.2.10 Tolerancias.
En la determinación del espesor mínimo requerido para la tubería y sus componentes, deben incluirse
las tolerancias por efectos de la corrosión, erosión y profundidad de roscado o ranurado, Ver factor “c”
de tolerancias mecánicas en 8.1.2.11.1.1 (b).
Para la selección final del espesor de pared de la tubería, se deben tomar en cuenta las tolerancias
debidas al proceso de fabricación. En el caso de tuberías sin costura, la tolerancia correspondiente es de
-
12,5 % del espesor nominal.
Debe aplicarse este porcentaje de acuerdo a la siguiente ecuación:
t
f= t
m/0,875
(2)
Donde:
t
f= Espesor de pared que incluye la tolerancia de fabricación.
t
m= Espesor de pared mínimo.
En el caso de la tubería con costura longitudinal, la tolerancia corresponde a
-
0.3 mm (0.01 pulg).
Debe aplicarse este porcentaje de acuerdo a la siguiente ecuación:
seleccionar los que resulten mayores, para efectos de adquisición.
8.1.2.10.1 Resistencia
mecánica.
El espesor calculado por presión interna, se debe revisar y en su caso incrementar para prevenir
sobreesfuerzos, daños, colapso o pandeo debidos a cargas sobre impuestas por efectos de los soportes,
formación de hielo, transportación, manejo u otras causas. Debe darse particular consideración a la
resistencia mecánica de las conexiones de tubos de DN 50 (NPS 2) y menores a otras tuberías o
equipos.
8.1.2.11
Diseño de componentes de tubería por presión.
8.1.2.11.1 Generalidades.
Los componentes de tubería fabricados de conformidad con los documentos técnicos listados en la Tabla
326.1 del ANSI/ASME B31.3 ó equivalente, son aceptables para los rangos de presión y temperatura
indicados en esta norma.
8.1.2.11.1.1 Tubo recto.
El espesor mínimo requerido para una sección de tubo recto, debe determinarse de acuerdo con la siguiente
ecuación:
t
m= t + c
(4)
Donde:
t
m= Espesor mínimo requerido que incluye, las tolerancias mecánicas,
por corrosión y erosión. El
espesor (t
f) calculado, considera la tolerancia de fabricación y no debe ser menor de t
m,ver
8.1.2.10. El espesor comercial (nominal) seleccionado, deber ser igual o el inmediato superior al t
fcalculado. Ver nota en inciso 8.1.2.10.
t = Espesor por presión de diseño, calculado según 8.1.2.11.1.2 por presión interna, o bien, de
acuerdo con el procedimiento indicado en 8.1.2.11.1.3 para presión externa.
c = Suma de las tolerancias mecánicas, profundidad de roscado o ranurado, más las tolerancias de
corrosión y erosión. Para componentes roscados, debe aplicarse la profundidad nominal de la
cuerda (dimensión h del ANSI/ASME B1.20.1 ó 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.
Se debe utilizar una tolerancia por corrosión con base en resultados en el manejo del producto que se va
a conducir, información que debe ser proporcionada por Pemex. Ver hojas de especificaciones en
anexo 12.3 de esta norma.
8.1.2.11.1.2 Tubo recto bajo presión interna.
Para tubos rectos, el espesor de diseño por presión interna “t”, no debe ser menor que el calculado con
la siguiente fórmula (5a), siempre que “t” sea menor que D/6.
P = Presión interna manométrica de diseño.
D = Diámetro exterior del tubo como se indica en las tablas de los Códigos ANSI/ASME B36.10M y
ANSI/ASME B36.19 M ó equivalentes.
E = Factor de calidad de junta de la Tabla A-1B del ANSI/ASME B31.3 ó equivalente.
S = Valor del esfuerzo básico permisible el cual corresponde al valor menor entre un tercio del
σ
Uo
dos tercios del
σ
Yindicado en la Tabla A-1 del ANSI/ASME B31.3 ó equivalente.
Y = Coeficiente de la Tabla 2, 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, el valor de “Y”, se calcula con la siguiente ecuación:
(5b)
Donde:
D = Diámetro interior del tubo.
Temperatura °C (°F)
≤482 510 538 566 593 ≥621
Materiales
(≤900) (950) (1000) (1051) (1099) (≥1150)
Acero ferrítico 0,4 0,5 0,7 0,7 0,7 0,7
Acero austenítico 0,4 0,4 0,4 0,4 0,5 0,7
Otros metales dúctiles 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
Hierro fundido 0,0
Tabla 2 Valores de coeficiente Y para t<D/6.
Las siguientes ecuaciones (5c),(5d), ó (5e) pueden usarse en lugar de la ecuación (5a)
SE 2
PD
t=
(5c)
⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜
⎜ ⎝ ⎛
+ − − =
P SE
P SE 1 2 D
t
(5d)
)] Y 1 ( P SE [ 2
) c 2 d ( P t
− −
+
=
(5e)
Los tubos con “t” igual o mayor que D/6 ó P/SE mayor que 0,385, requieren consideraciones especiales,
tomando en cuenta los factores de diseño y propiedades del material, tales como los mecanismos de falla,
fatiga y esfuerzos térmicos.
El espesor de diseño “t” por presión y los requerimientos de aros atiesadores para tubos rectos bajo presión
externa, deben determinarse de acuerdo con los párrafos UG-28 al UG-30 de la sección VIII, División 1, del
Código ASME, Recipientes y calderas a presión (BPV) ó equivalente, usando como la longitud de diseño “L” la
medida de la longitud de la línea central entre cualquiera de las dos secciones atiesadas de acuerdo con el
párrafo UG-29 de la sección VIII, División 1, del Código ASME, Recipientes y calderas a presión ó equivalente.
Con una excepción, para tubería con D/t <10, el valor de S para ser utilizado en la determinación de la presión
externa máxima permisible (P
a), debe ser el menor de los siguientes valores para materiales de tubería a la
temperatura de diseño.
a)
1,5 del valor del esfuerzo en la Tabla A-1 del ANSI/ASME B31.3 ó equivalente.
b) 0,9 del valor del esfuerzo de cedencia tabulado en la Sección II Parte D, Tabla Y-1, del Código ASME,
Recipientes y calderas a presión (BPV) ó equivalente, para los materiales ahí listados. ( El símbolo D
oen la Sección VIII es equivalente al D utilizado en esta norma).
8.1.2.11.2
Curvas y dobleces mitrados.
8.1.2.11.2.1 Dobleces.
El espesor mínimo requerido
(
t
m)de un tubo después del doblado, se debe determinar igual que para un
tubo recto, de acuerdo a 8.1.2.11.1.1 y 8.1.2.11.1.2.
8.1.2.11.2.2 Codos
mitrados.
El espesor de pared para los codos mitrados, debe determinarse de acuerdo a lo indicado en 8.1.2.11.1 y
8.1.2.11.1.2 de esta norma. Quedan prohibidos los codos mitrados en líneas de proceso.
Para otros servicios, en los cuales el diseñador justifique su uso, el diseño debe ser como se indica en 304.2.3
del ANSI/ASME B.31.3 o equivalente.
8.1.2.11.3
Conexión de ramales.
8.1.2.11.3.1 Generalidades.
Las conexiones de ramal a cabezal, permitidas son las que a continuación se indican:
a) Conexiones: tees, conexiones extruídas, laterales (Y´s), cruces y conexiones reforzadas integralmente
según la práctica del MSS-SP-97 ó equivalente.
b) Conexiones a ramal forjadas o fundidas no listadas en la tabla 326.1 del ANSI/ASME B31.3 ó
equivalente y coples no mayores de DN 80 (NPS 3), para unir el ramal al cabezal por medio de
soldadura.
c)
Ramal soldado directamente al cabezal con o sin adición de refuerzo, como se establece en el capítulo
V párrafo 328.5.4 del ANSI/ASME B31.3 ó equivalente.
b) Conexiones con rosca para soldar o coples y medios coples de embutir para soldar directamente a la
tubería, de acuerdo con el párrafo 328.5.4 del ANSI/ASME B31.3 o equivalente, siempre que el tamaño
del ramal, no exceda DN 50 (NPS 2) ó ¼ del diámetro nominal de la tubería. El espesor mínimo de
pared del acoplamiento en cualquier lugar de la zona de refuerzo (si las roscas están en esta zona, el
espesor de pared se mide desde la raíz de la rosca al diámetro exterior mínimo), no debe ser menor al
del ramal de tubería no roscada. En ningún caso los coples o medios coples, deben ser menores a
Clase 3000 para instalaciones en tierra y no menores de Clase 6000 para instalaciones costa afuera, de
acuerdo a lo indicado en ANSI/ASME B16.11 ó equivalente.
8.1.2.12 Sistemas
específicos de tubería.
8.1.2.12.1
Tubería de instrumentos.
8.1.2.12.1.1 Generalidades.
La tubería de instrumentos, dentro del alcance de esta norma incluye a toda la tubería y accesorios utilizados
para conectar instrumentos a otras tuberías o a equipos, así como las tuberías de control utilizadas para
conectar aparatos de control operados con aire o hidráulicamente.
8.1.2.12.1.2 Requerimientos.
La tubería de instrumentos debe cumplir los requerimientos aplicables de esta norma, además de lo siguiente:
a) La presión y temperatura de diseño para tubería de instrumentos, deben determinarse de acuerdo a
8.1.2 y 8.1.2.8.
b)
Se debe tener en consideración la resistencia mecánica (incluyendo la fatiga) de conexiones pequeñas,
de instrumentos a tubería o a los aparatos.
c) La tubería de instrumentos para fluidos que permanezcan normalmente estáticos y sujetos a
congelamiento, se le debe proveer de algún sistema de calentamiento como venas de vapor o debe
protegerse mediante algún otro método de calentamiento y aislamiento.
8.1.2.12.2
Sistemas de relevo de presión.
Para requisitos de diseño de los sistemas de relevo de presión, ver 8.1.2.2 de esta norma.
8.2 Flexibilidad
y
soportes.
8.2.1
Flexibilidad de tuberías.
8.2.1.1 Generalidades.
Los sistemas de tuberías de acuerdo a su localización y a las condiciones de operación, están sujetos a
diversos tipos de cargas, ver 8.1.2, las cuales deben ser consideradas en el análisis de esfuerzos, debido a
efectos tales como:
a)
Desplazamientos por esfuerzos térmicos u otros debidos a cargas externas.
b)
Restricción de la flexibilidad.
a)
Fallas de la tubería o de los soportes debido a esfuerzos o fatiga.
b)
Fugas en las juntas.
c)
Esfuerzos y/o deformaciones perjudiciales en la tubería, válvulas o en equipos conectados, por ejemplo:
recipientes, bombas o turbinas, como resultado de cargas excesivas (fuerzas y momentos).
Además de flexibilidad, los sistemas de tuberías deben tener la suficiente rigidez para soportar las cargas de
presión, peso propio, fluido interno, nieve, tierra, vibración entre otras.
8.2.1.1.1 Requisitos
específicos.
En esta sección se indican los requisitos específicos para asegurar que los sistemas de tubería cumplan con la
flexibilidad requerida, y los esfuerzos permisibles establecidos. Estos requisitos son:
a) El rango de esfuerzo calculado en cualquier punto del sistema, debido a desplazamientos, no debe
exceder el rango de esfuerzo permisible establecido en 8.1.2.9.4.
b) Las fuerzas de reacción calculadas en 8.2.1.4, no deben causar daño a los soportes o equipos
interconectados.
c)
El “intervalo de esfuerzos por desplazamiento”, debe usarse como criterio de diseño en los análisis de
flexibilidad, véase 8.1.2.9.4 (d) para el cálculo del intervalo del esfuerzo permisible S
A, y 8.2.1.3.4 para
el cálculo del intervalo del esfuerzo calculado S
E.8.2.1.2 Propiedades de los materiales para los análisis de flexibilidad.
Los párrafos siguientes deben ser considerados en los análisis de flexibilidad.
8.2.1.2.1 Datos de expansión térmica.
a)
Valores para el intervalo de esfuerzos. Los valores del coeficiente de expansión térmica, utilizados para
determinar las deformaciones totales para el cálculo de los rangos de esfuerzo y las reacciones sobre
soportes y equipos conectados, se obtienen de la tabla C-1 del Apéndice C del ANSI/ASME B31.3 ó
equivalente, haciendo la diferencia algebraica entre los valores a las temperaturas máximas y mínimas
del ciclo térmico que se esté analizando.
8.2.1.2.2 Relación de Poisson.
Puede utilizarse un valor de 0,3 para la relación de Poisson para cualquier temperatura y para todos los
metales. Si se cuenta con datos más precisos, éstos pueden ser utilizados.
8.2.1.2.3 Esfuerzos
permisibles.
a) El rango de esfuerzos permisibles por temperatura (S
A) y los esfuerzos permisibles adicionales, se
deben considerar como se especificaron en 8.1.2.9.4 (d), para sistemas bajo esfuerzos principalmente
de flexión y/o torsión.
r2
R1 = Rad
dobl T θ s r2 7
s cot θ
2 R1 =
s
r2
θ
R1 =r2 (1 + cot θ) 2 7 r2 7 Tc rx
8.2.1.2.4 Dimensiones.
Para la realización de los cálculos de flexibilidad, el diseñador debe utilizar el espesor nominal y el diámetro
exterior de la tubería o sus accesorios.
8.2.1.2.5 Flexibilidad y factores de intensificación de esfuerzos.
En ausencia de datos directamente aplicables, los factores de flexibilidad “k”, y de intensificación de esfuerzo “i”,
mostrados en la Tabla 3 y 3A, deben ser utilizados en los cálculos de flexibilidad indicados en 8.2.1.3, estos
factores son válidos para D/
Τ
≤
100.
Cuando se trate de componentes o accesorios de tubería, como válvulas, filtros, insertos o refuerzos no
mostrados en la Tabla 3, se puede hacer una comparación de la forma geométrica que más se asemeje a los
mostradas y asumir sus valores de intensificación de esfuerzos.
Factor de intensificación de esfuerzos Ver notas 1 y 2
Descripción Factor de flexibilidad K Longitudinalmente iO Transversalmente ii racterísticas de flexibilidad h Croquis
o soldable o tubo doblado
a: 1
os cortados en inglete con piezas iguales
2(1 + tan θ)
a: 1
o simple 1, 2 ó ingletes muy espaciados
2 (1 + tan θ)
a: 1
oldable
ún ANSI B 16.9 ó su equivalente
a: 1
1
Tabla 3 Factor de flexibilidad “k” y factor de intensificación de esfuerzos “i“.
1,65 h 0,75 h2/3 0,9 h2/3Τ R1
r2 2 0,9 h2/3 0,9 h2/3 1,52 h5/6 0,9 h2/3 0,9 h2/3 1,52 h5/6
cot θ 2
sΤ r2
2
1 + cot θ 2
Τ
r2
3/4 io + 1/4 4,4 Τ
r2
Refuerzo Silleta
r2
7r 7r7
r2
rx
Tc
7
r2
7
rx
Tc
K Longitudinalmente iO
Transversalmente ii
h
onstruida en taller silleta o con refuerzos
a: 1
1
onstruida en taller sin refuerzo
a: 1
1
extruída soldable
0,5 Db
1,5 Τ
a: 1
1
construida en taller con inserción de corte curvo.
1/8 Db Te ≥ 1.5
a: 1
I
mal
ado a un accesorio
a: 1
I
Tabla 3 Factor de flexibilidad “K” y factor de intensificación de esfuerzos “i“ (continuación).
0,9h2/3 3/4 io + 1/4
(Τ + 1/2 Τr) 2,5
Τ1,5
r2
r2
0,9
h2/3 3/4 io + 1/4
Τ r2
3/4 io + 1/4 rx
r2
1 + Τ r2
0,9 h2/3
0,9
h2/3 3/4 io + 1/4 4,4
Τ
r2
r2
7
0,9
h2/3 3/4 io + 1/4 3,3
Τ
ta soldable a tope, reducción o brida cuello soldable
1 1.0
da deslizable doble soldadura 1 1.2
ta de soldadura de filete, brida y conexiones de embutir y soldar
1 Ver nota 1
da de solapa con extremo (stub end) según ASME B 16.9.
1 1.6
ta roscada en tubos o bridas roscadas. 1 2.3
bo corrugado recto o doblado. 5 2.5
Tabla 3A Factores de flexibilidad “k” e intensificación de esfuerzos “i”.
Notas:1.- 2.1 máximo ó 2.1 de F/CX1, pero no menor de 1.3 de CX para longitud de pierna de la soldadura de filete (ver la
fig. 358.2.2C del
ANSI/
ASME B31.3 ó equivalente), para longitudes desiguales usar el valor menor para lapierna CX.
2.- El factor de flexibilidad “k“ de la tabla, se aplica a los momentos flexionantes en cualquier plano. El factor de flexibilidad (k) y el factor de intensificación de esfuerzo ( i ) no deben ser menores a uno (1). El factor de torsión debe ser igual a uno (1).
3.- En codos y dobleces para diámetros nominales grandes [mayores de DN 900 mm (
NPS
36)] la presión puedeafectar significativamente los valores de ”k” e “i”, por lo que deben ser corregidos dividiendo éstos entre las ecuaciones que a continuación se indican:
Dividir “k” entre
Dividir “i” entre
Τ = Espesor nominal de pared para codos y codos mitrados
= Espesor nominal de pared para tees.
Tc = Espesores para conexión ramal.
Τr = Espesor del refuerzo o de la silleta.
θ = La mitad del ángulo entre cortes adyacentes en diagonal (inglete).
r2 = Radio medio del tubo por empalmar.
R1 = Radio de la curva del doblez, del codo o del tubo doblado.
rx = Ver definición en el punto 11.5.3 ( C ).
s = Espaciamiento de los cortes diagonales al eje del tubo.
1 + 6
P
E
7/3 1/3
R
1r
2r
2Τ
1 + 3,25
5/2 2/3
P
E
r
2Τ
8.2.1.3.1 Casos en los que no es obligatorio.
En los siguientes casos, no es obligatorio realizar un análisis de flexibilidad del sistema:
a) Cuando se trate de sistemas similares o reemplazos sin cambios significativos de sistemas que se
encuentren operando con resultados satisfactorios.
b) Cuando los sistemas puedan valorarse con sistemas previamente comprobados, mediante un
procedimiento sencillo.
c) Para efectos de expansión, cuando los sistemas sean de diámetro uniforme y no tengan más de dos
puntos de fijación ni restricciones intermedias, además de encontrarse dentro de los límites de la
siguiente ecuación (6) :
(6)
5Donde:
D = Diámetro exterior de la tubería, en mm (pulg).
y = Resultante del crecimiento térmico por absorber, en mm (pulg)
L = Longitud total de la tubería entre anclas, en m (pies).
U = Distancia en línea recta entre anclas, en m (pies)
K
1= 208 000 S
A/E
a, (mm/m)
2= 0,30
S
A/E
a, (pulg/pie)
2 Nota:5. La ecuación 6, no es aplicable en sistemas bajo condición cíclica severa y sistemas con piernas desiguales (L/U >2,5).
8.2.1.3.2 Análisis detallado obligatorio.
a)
Cualquier sistema que no cumpla con el criterio de 8.2.1.3.1, debe estudiarse con métodos de análisis
simplificados, aproximados o generales, que sean adecuados para cada caso específico.
b)
Un método de aproximación o simplificado sólo puede aplicarse en el intervalo de combinaciones para
las que se ha demostrado que es adecuado.
c)
Se deben utilizar métodos de análisis analíticos y gráficos.
d) Los métodos de análisis, deben tomar en cuenta los factores de intensificación de esfuerzo para
cualquier accesorio diferente al de la tubería recta. Se debe tomar en cuenta la flexibilidad extra de ese
componente.
e) Los sistemas de tubería que sean determinados como críticos, deben estar sometidos a un análisis
detallado de flexibilidad, como mínimo se deben incluir los siguientes:
e1) Tuberías de proceso que conecten a equipos principales como bombas, compresores, turbinas,
aeroenfriadores, eyectores, hornos, calderas, recipientes con alta presión.
e2) Tuberías de transferencia.
e3) Tuberías operando a baja temperatura
[
por debajo de: - 60 °C (76 °F)
]
.
e4) Tuberías conectadas a sistemas con válvulas de seguridad o sujetas a reacciones por descarga de
fluido.
e5) Tuberías que requieran o tengan soportes de resorte.
e6) Tuberías que requieran o tengan juntas de expansión.
e7) En plataformas marinas las líneas de proceso sobre puentes entre plataformas y líneas a
Dy
(L – U)
2Pemex se reserva el derecho de solicitar al contratista, el análisis de flexibilidad detallado a líneas que
considere necesario.
8.2.1.3.3 Requisitos y consideraciones básicas.
En todos los casos deben seguirse las suposiciones establecidas en 8.2.1.2. Para el cálculo de flexibilidad de un
sistema de tuberías entre puntos de anclaje, el sistema debe tratarse como un todo. Debe reconocerse la
importancia de todas las partes de la línea, las restricciones introducidas, así como la fricción en los soportes con
el propósito de reducir fuerzas y momentos en equipos o pequeñas ramificaciones, debe revisarse que las fuerzas
y momentos en las boquillas de los equipos, se encuentren dentro de los valores especificados por el fabricante.
Es necesario considerar todos los desplazamientos, dentro del rango de temperatura definido en 8.2.1.2.1.
8.2.1.3.4 Esfuerzos de flexibilidad.
El intervalo de los esfuerzos por flexión y torsión, debe calcularse usando el módulo de elasticidad E
a,a la
temperatura de 21 ºC (70 °F)
,
y utilizando la ecuación (7), calcular el intervalo de esfuerzos por temperatura S
E,
el cual no debe ser mayor al intervalo de esfuerzos permisibles
S
Adefinido en 8.1.2.9.4 (d).
(7)
Donde:
S
b= Esfuerzo de flexión resultante.
S
t= Esfuerzo torsional.
=
M
t/ 2Z
M
t= Momento torsional.
Z = Módulo de sección de la tubería.
Los esfuerzos de flexión resultantes S
b,que se deben utilizar en la ecuación (7) para codos, codos mitrados y
conexiones de ramal con extremos de igual tamaño, deben ser calculados de acuerdo con la ecuación (8),
considerando los momentos tal y como se muestran en las figuras 1 y 2.
Figura 1 Momentos en dobleces.
S
E= S
b+ 4S
t2 2
Mt
Mi
Mo
Mt
Mi
(8)
Donde:
S
b= Esfuerzo de flexión resultante.
i
i= Factor de intensificación
de esfuerzos en el plano (Ver Tabla 3).
i
o= Factor de intensificación de esfuerzos fuera del plano (Ver Tabla 3).
M
i= Momento flexionante en el plano.
M
o= Momento flexionante fuera del plano.
Z = Módulo de sección de la tubería.
Los esfuerzos de flexión resultantes S
b, a ser utilizados en la ecuación (7) para conexiones de ramales con un
extremo reducido, se calculan de acuerdo con las ecuaciones (9) y (10), considerando los momentos como se
muestran en la Figura 2.
Figura 2 Momentos en conexiones de ramal.
Para cabezal (piernas 1 y 2):
(9)
Para ramal (pierna 3):
(10)
Donde:
Sb =
Z
Sb =
(i
iM
i)
2+ (i
oM
o)
2Z
Sb =
(i
iM
i)
2+ (i
oM
o)
2Z
eMo
Mi
Mi
Mt
Mo
Mt
Pierna 1
Mt
Mo
Mi
Pierna 3
