• No se han encontrado resultados

Diseño mecánico para una tubería de conducción de 14

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2023

Share "Diseño mecánico para una tubería de conducción de 14"

Copied!
76
0
0

Texto completo

(1)

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

“DISEÑO MECÁNICO PARA UNA TUBERÍA DE CONDUCCIÓN DE 14” Ø NOM a 16” Ø NOM ENTRE EQUIPOS DE ALMACENAMIENTO DE BENCENO”

TESIS CURRICULAR

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO MECÁNICO

PRESENTAN

CHON GAXIOLA CARLOS MIGUEL GARRIDO MOSQUEDA MARCOS GABRIEL

(2)
(3)

ÍNDICE.

OBJETIVO Y JUSTIFICACIÓN.

OBJETIVO. 6

JUSTIFICACIÓN. 6

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE TUBERÍAS DE CONDUCCIÓN.

1.1 INTRODUCCIÓN. 8

1.2 TUBERÍAS DE TRANSPORTE O

CONDUCCIÓN.

9

1.3 SERVICIOS DE TUBERÍAS. 10

1.4 CONSTRUCCIÓN DE OLEODUCTOS. 11

1.5 PRINCIPIOS DE BOMBEO DE LÍQUIDOS. 14

1.5.1 Desplazamiento. 14

1.5.2 Fuerza centrífuga. 15

1.5.3 Impulso mecánico. 16

1.5.4 Medición de rendimiento. 16

1.5.5 Capacidad. 16

1.5.6 Carga dinámica total. 17

1.5.7 Carga estática de succión. 17

1.5.8 Carga total de descarga. 18

1.5.9 Carga estática de descarga. 18

1.5.10 Velocidad. 18

1.5.11 Carga de velocidad. 18

1.5.12 Viscosidad. 18

1.5.13 Carga de fricción. 19

1.5.14 Trabajo efectuado durante el bombeo. 19

CAPÍTULO 2. CÓDIGOS Y NORMAS.

2.1 INTRODUCCIÓN. 22

2.2 CÓDIGO PARA TUBERÍAS A PRESIÓN. 22

2.2.1 Normas Nacionales. 23

2.3 CONTENIDO Y ALCANCE DEL CÓDIGO 24 2.4 MATERIALES PARA SISTEMAS DE

TUBERÍAS.

24

2.4.1 Consideraciones generales. 24

2.4.2 Precauciones sobre materiales específicos. 26

2.5 SISTEMAS DE TUBERÍAS METÁLICAS: DE ACERO AL CARBONO Y ACERO

INOXIDABLE.

27

2.5.1 Tubos y tuberías. 28

2.5.2 Juntas. 28

(4)

ÍNDICE.

2.5.2.1 Juntas soldadas. 29

2.5.2.2 Juntas roscadas. 30

2.5.2.3 Juntas bridadas. 30

2.6 DISEÑO DE SISTEMAS DE TUBERÍAS. 31

2.6.1 Seguridad. 31

2.6.2 Clasificación de los servicios de fluidos. 32

2.6.2.1 Servicio de fluido categoría D. 32

2.6.2.2 Servicio de fluido categoría M. 32

2.6.3 Condiciones de diseño. 32

2.6.3.1 Presión de diseño. 32

2.6.3.2 Temperatura de diseño. 33

2.6.3.3 Influencias ambientales. 33

2.6.3.4 Efectos dinámicos. 34

2.6.4 Criterios de diseño: tuberías metálicas. 34

2.6.4A Componentes que tienen relaciones de presión- temperatura específicas.

34 2.6.4B Componentes sin relaciones de presión-temperatura

específicas.

35 2.6.4.1 Diseño de presión de componentes metálicos: espesor de

paredes.

35

CAPÍTULO 3. MEMORIA DE CÁLCULO.

3.1 CARACTERÍSTICAS FLUIDO DE BOMBEO. 42

3.2 CÁLCULO HIDRÁULICO. 47

3.2.1 Velocidad de transporte para el benceno. 47

3.2.2 Cálculo del número de apoyos para tubería horizontal.

48

3.2.3 Pérdidas de presión. 48

3.2.4 Cálculo del golpe de ariete. 53

3.2.5 Tiempo de apertura o cierre de válvulas. 54

3.3 CÁLCULO MECÁNICO. 54

3.3.1 Cálculo de espesores por presión interna según norma.

54

3.3.2 Configuración de apoyos. 56

3.3.3 Verificación de esfuerzos. 58

3.4 DETALLE DE LA UNIÓN EN BRIDAS Y TUBOS.

60 3.5 CARACTERÍSTICAS DE BRIDAS. 61 3.6 DETALLE DE REDUCCIÓN DE φ14” A φ16”. 62 CAPÍTULO 4. PLANOS Y ESPECIFICACIONES.

TB-001 ARREGLO GENERAL. 64

TB-002 DETALLES. 65

TB-004 VISTA ISOMÉTRICA DE INSTALACIÓN. 66

(5)

ÍNDICE.

APÉNDICES. TABLAS E INFORMACIÓN ANEXA.

A TABLA DE CARACTERÍSTICAS VÁLVULAS DE GLOBO CATÁLOGO GIRON SAIC.

68 B TABLA DE CARACTERÍSTICAS VÁLVULA

DE COMPUERTA Y VÁLVULA ANTI -

RETORNO CATÁLOGO DE TONG YUNG IND.

CO. LTD.

70

C DIAGRAMA DE MOODY. 72

D NOMOGRAMA DE LONGITUDES

EQUIVALENTES PARA ACCESORIOS.

73

BIBLIOGRAFÍA.

BIBLIOGRAFÍA 75

(6)

OBJETIVO Y JUSTIFICACIÓN.

Objetivo y justificación.

5

(7)

OBJETIVO Y JUSTIFICACIÓN.

6 OBJETIVO.

Realizar el diseño y la verificación en base a las Normas ANSI B31 de un sistema de tubería de conducción de benceno; considerando:

Arreglo general del sistema.

Características del fluido a transportar.

Perdidas de presión en tubería y accesorios.

Diseño y verificación de la sección de tubo CED 40 para 14”φΝΟΜ y 16”φΝΟΜ. Diseño mecánico y/o selección de los elementos de soporte y unión de la tubería.

Selección adecuada de accesorios (válvulas, codos, juntas y reducciones).

JUSTIFICACIÓN.

Debido a la aparente distensión de los oleoductos en el país y su supuesto decaimiento debido a factores externos, falta de mantenimiento o bien debido a un diseño poco apropiado, nos parece sumamente interesante desarrollar un proyecto en donde nos veamos envueltos en el diseño de un sistema de tuberías de conducción y podamos aplicar los conocimientos aprendidos en el aula.

Por otra parte tenemos el interés de tratar las normas correspondientes para comparar con nuestros cálculos hidráulicos y mecánicos para así poder aplicar nuestro criterio de ingeniería.

De esta forma podemos darnos una idea de cómo es el trabajo y las responsabilidades que encara un Ingeniero Mecánico en un ambiente laboral cotidiano.

(8)

Capítulo 1 GENERALIDADES DE TUBERÍAS DE CONDUCCIÓN.

Capítulo 1. Generalidades de tuberías de conducción.

7

(9)

Capítulo 1 GENERALIDADES DE TUBERÍAS DE CONDUCCIÓN.

1.1 INTRODUCCIÓN.

Se denomina oleoducto a la tubería e instalaciones conexas utilizadas para el transporte de petróleo y sus derivados a grandes distancias.

Los hidrocarburos extraídos directamente de formaciones geológicas en estado líquido se conocen comúnmente con el nombre de petróleo, mientras que a los que se encuentran en estado gaseoso se les conoce como gas natural. Los hidrocarburos constituyen una actividad económica de primera importancia, pues forman parte de los principales combustibles fósiles (petróleo y gas natural), así como de todo tipo de plásticos, ceras y lubricantes.

Fig. 1.1 Sistema de oleoductos que atraviesan terrenos.

Inmediatamente luego de haber descubierto y explotado una zona petrolífera, el producto se debe enviar rápidamente hacia algún centro de refinamiento o hacia algún puerto de embarque, si es que se quiere exportar. En todos los casos son los oleoductos y los buques tanqueros quienes se encargan de transportar el crudo. Los mismos son equipos adecuados para poder soportar la carga o incluso soportar cualquier tipo de posible accidente, ya que ambas sustancias son muy inflamables.

Si se desea transportar el crudo hacia alguna mediana o corta distancia se utiliza un oleoducto. El mismo esta formado por varios tubos de acero unidos con el fin de llevar el crudo obtenido hacia el punto de refinación (o embarque).

Los oleoductos tienen distintas capacidades de transporte, dependiendo del tamaño de la tubería. Las líneas de flujo oscilan en diámetro desde 2” y 3” (pulgadas) para petróleo crudo y hasta 4” y 6” para gas condensado. Las líneas de transmisión de gas van desde 6”- 8” hasta 24”-28”-32”-36”. Los oleoductos con condensado varían entre 6” y 12”. Pero generalmente en líneas generales, el diámetro de los oleoductos varía entre 6 plg y 47 plg comúnmente. Además pueden ser tanto de superficie como subterráneos, donde alcanzan los 2 m de profundidad. La velocidad estimada del crudo dentro de los oleoductos es de 5 km/h.

8

(10)

Capítulo 1 GENERALIDADES DE TUBERÍAS DE CONDUCCIÓN.

El oleoducto está formado por varias partes. El mismo debe ser capaz de atravesar diversas superficies como lo son montañas, llanuras, desiertos, entre otras superficies (véase Fig. 1.1). Es por esto que es muy complejo y debe ser diseñado por ingenieros capacitados y con experiencia. En su inicio, consta de una estación de bombeo, donde el petróleo es impulsado hacia una estación que le permite continuar su recorrido sin complicaciones (véase Fig. 1.2). El mismo, también cuenta con válvulas, las cuales permiten controlar el paso del crudo y reparar cualquier complicación que se produzca de emergencia. Por último, el crudo llega a destino.

Fig. 1.2 Debido a las grandes distancias, se utilizan estaciones de servicio dan impulso al fluido.

1.2 TUBERÍA DE TRANSPORTE O CONDUCCIÓN.

Las tuberías de conducción son un conjunto de tubos y accesorios por los cuales se conduce o se transporta un fluido desde la zona de extracción o proceso hasta la zona de producción o consumo según sea el caso. Los tubos con los que se construyen estas tuberías se encuentran clasificados de la siguiente manera:

Tubo de presión. Estos tubos se utilizan para conducir fluidos o gases a temperaturas normales, debajo de cero o elevadas, o combinaciones de ambas condiciones. Se utilizan para presiones normales y elevadas. En general no se les sujeta a la aplicación de calor desde el exterior. Los límites de tamaños son desde un diámetro nominal de "81 hasta un diámetro exterior real de 36”. Se produce en varios espesores de pared. Los tramos de este tipo de tubo se obtienen en longitudes diversas, con extremos roscados o lisos, según se requiera. Generalmente se prueban hidrostáticamente en la fábrica de origen.

Tubos para conductos. Este tubo es sin costura o soldado, se produce en tamaños desde un diámetro nominal de "81 hasta un diámetro exterior real de 48”. Se construye en varios espesores de pared. Se emplea principalmente para conducir gas, petróleo o agua. El tubo para conductos se produce con extremos lisos, 9

(11)

Capítulo 1 GENERALIDADES DE TUBERÍAS DE CONDUCCIÓN.

roscados, biselados, rasurados, con bridas o expandidos, según se requiera para los diversos tipos de acopladores mecánicos, o para juntas soldadas. Si se necesitan extremos y acoplamientos roscados, es normal que se suministren acoplamientos con rebajo.

Tubo para pozos de agua. El tubo para pozos de agua es de acero, soldados o sin costura, que se utilizan para la conducción de agua para aplicaciones municipales e industriales. Las tuberías empleadas con estos fines comprenden tuberías maestras de gasto, de transmisión, de impulsión, de acueductos o de distribución. Los tamaños varían desde un diámetro nominal de "18 hasta un diámetro exterior real de 106”, con diversos espesores de pared. El tubo se produce con extremos preparados de manera apropiada para acoplamientos mecánicos, con extremos biselados para soldar, con extremos ajuntados con llantas a tope para soldar en campo, o bien, con juntas de caja y espiga, con juntas de caucho para unir en campo. El tubo se produce en tramos diversos dobles de aproximadamente 40´, en tramos diversos sencillos con longitud aproximada de 20´, o en tramos cortados con una longitud definida, según se especifique. Los espesores de pared varían desde 0.068” para el diámetro nominal de "81 , hasta 1” para un diámetro exterior real de 106”.

1.3 SERVICIOS DE TUBERÍAS.

Si en lugar de petróleo se busca transportar gas, se utilizan gasoductos, que son sistemas similares al anterior, pero que transportan únicamente gas.

Hay también ductos que se dedican a realizar tareas específicas: los poliductos para gasolinas, acpm y otros derivados; propanoductos para gas propano, combustoleoductos para combustóleo, entre otros.

En la tabla 1.1 se pueden apreciar los ductos que transportan diversos fluidos, se mencionan los más importantes:

Sustancia Forma de transporte

Gas Gasoducto

Crudo Reducido Oleoducto

Gasolina Poliductos Propano Propaducto Tabla 1.1 Nombre apropiado para los ductos que manejan distintos fluidos.

La excepción es el gas natural, el cual, a pesar de ser derivado del petróleo, se le denominan gasoductos a sus tuberías por estar en estado gaseoso a temperatura ambiente.

Fueron pioneros en el transporte por medio de oleoductos las compañías de Vladimir Shukhov y Branobel, a finales del siglo XIX.

10

(12)

Capítulo 1 GENERALIDADES DE TUBERÍAS DE CONDUCCIÓN.

1.4 CONSTRUCCIÓN DE OLEODUCTOS.

1. Determinación del Derecho de Vía (DDV) y estudio topográfico desde el punto de entrada hasta el punto de llegada. Este DDV debe ser primeramente.

2. Seleccionado por el estudio de Ingeniería que determinará el diámetro y espesor del oleoducto en base al tipo de fluido, volumen, presión, etc., y tomando en cuenta los accidentes geográficos, poblaciones, carreteras, ríos, y sobre todo el impacto ambiental social y ecológico tanto en la fase de construcción como en el operativo. La Superintendencia de Hidrocarburos debe aprobar este estudio de ingeniería y de factibilidad técnica. Asimismo deberá aprobar la construcción del oleoducto, y en última instancia al final de la construcción debe aprobar la operación del mismo una vez cumplidos todos los requisitos anteriores.

3. Las fases de construcción son las siguientes: 1.- desmonte y construcción del DDV, 2.- transporte y tendido de la cañería en el DDV, 3.- zanjado para colocar la tubería soldada, 4.- soldado de las tuberías, 5.- radiografiado de las soldaduras, 6.- colocación en zanja previa verificación de la protección de la cañería, 7.- prueba hidráulica, 8.- tapado de la tubería y señalización, y 9.- restauración del DDV.

4. Los costos asociados son porcentualmente compartidos en partes similares entre el costo de los materiales, principalmente la tubería y válvulas y la logística asociada hasta el lugar de la construcción, y el costo de la construcción a su vez también compartido entre el costo de la mano de obra incluyendo la Supervisión y fiscalización, y el costo de los equipos de construcción incluyendo tractores orugas, tiende-tubos, máquinas de soldar, excavadoras, camionetas, equipo de radiografiado, bombas, entre otras máquinas.

5. La construcción de oleoductos requiere un gran número de personal, tanto calificado como laboral, y por esta razón tiene un gran impacto económico en la economía regional durante la duración de la obra. Se requiere de soldadores calificados de acuerdo a norma, operadores de equipo, armadores, mecánicos, ayudantes, supervisores, ingenieros, inspectores de calidad, seguridad, y medio ambiente, especialistas en radiografía, pruebas hidráulicas, oficinistas, médicos, instrumentistas, cocineros, ayudantes de cocina, mucamos, y una gran cantidad de trabajadores para las diferentes labores de campo. Tanto el transporte pesado como el liviano y el aéreo son también intensificados en gran manera.

6. Un parámetro utilizado para estimar los costos de un oleoducto a construirse es el del costo por pulgada-diámetro por metro que generalmente oscila entre $ 15.00 y $ 20.00 dólares por pulgada-diámetro por metro, dependiendo del grado de dificultad del terreno; es decir, dependiendo si el terreno es rocoso, frágil, deslizable, pantanoso, si tiene cruces especiales de carreteras, caminos vecinales, ríos, vías férreas, plantaciones, entre otras. El proceso señalado en los pasos anteriores se ejemplifica en el esquema 1.1.

11

(13)

Capítulo 1 GENERALIDADES DE TUBERÍAS DE CONDUCCIÓN.

12

PROCESO TÍPICO DE CONSTRUCCIÓN PARA TUBERÍA DE TRANSPORTE Esquema 1.1Proceso típico de construcción para tubería de transporte

(14)

Capítulo 1 GENERALIDADES DE TUBERÍAS DE CONDUCCIÓN.

Fig. 1.3 México tiene aproximadamente 28 100 kilómetros de oleoductos activos para abastecer de una forma más económica a sus ciudades más importantes.

Los oleoductos son la manera más económica de transportar grandes cantidades de petróleo en tierra (véase Fig. 1.3). Comparados con los ferrocarriles, tienen un costo menor por unidad y también mayor capacidad.

A pesar de que se pueden construir oleoductos bajo el mar (véase Fig. 1.4), el proceso es altamente demandante tanto tecnológica como económicamente; en consecuencia, la mayoría del transporte marítimo se hace por medio de buques petroleros.

Fig. 1.4 Los oleoductos pueden diseñarse para operar adentro del mar.

En ocasiones se utiliza el oleoducto para transportar dos productos distintos o más, sin hacer ninguna separación física entre los productos. Esto crea una mezcla en donde los productos se unen llamada la interfaz. Esta interfaz debe retirarse en las estaciones de recepción de los productos para evitar contaminarlos.

13

(15)

Capítulo 1 GENERALIDADES DE TUBERÍAS DE CONDUCCIÓN.

El petróleo crudo contiene cantidades variables de cera o parafina la cual se puede acumular dentro de la tubería. Para limpiarla, pueden enviarse indicadores de inspección de oleoductos, también conocido como pigs por su nombre en inglés, mecánicos a lo largo de la tubería periódicamente.

Los oleoductos transportan material inflamable y volátil, por lo que son fuente de preocupaciones de seguridad:

17 de Octubre de 1998 - en Jesse en el delta del río Niger en Nigeria, un oleoducto hizo explosión matando a unos 1200 aldeanos, algunos de los cuales estaban recogiendo gasolina. Este es el peor de varios accidentes similares en este país.

4 de Julio de 2002 - La ruptura del oleoducto de Enbridge liberó petróleo crudo cerca de Cohasset, Minnesota.

12 de Mayo de 2006 - un oleoducto tuvo rupturas en las afueras de Lagos, Nigeria. Un máximo de 200 personas pueden haber muerto.

1.5 PRINCIPIOS DE BOMBEO LÍQUIDOS.

La necesidad de bombear los fluidos surge de la necesidad de transportar estos de un lugar a otro a través de ductos o canales. El movimiento de un fluido a través de un ducto o canal se logra por medio de una transferencia de energía. Los medios comúnmente empleados para lograr flujo en los fluidos son: gravedad, desplazamiento, fuerza centrifuga, fuerza electromagnética, transferencia de cantidad de movimiento (momentum), impulso mecánico, o combinaciones de 6 medios básicos. Después de la gravedad, el medio más empleado actualmente es la fuerza centrifuga.

1.5.1 Desplazamiento.

La descarga de un fluido de un recipiente mediante el desplazamiento parcial o total de su volumen interno con un segundo flujo o por medios mecánicos, es el principio del funcionamiento de muchos dispositivos de transporte de fluidos. En este grupo se incluyen las maquinas de diafragma y de pistón de movimiento alternativo, los tipos de engranajes y de paletas giratorias, los compresores de pistón para fluidos, los depósitos ovalados para ácidos y los elevadores por acción de aire.

La gran variedad de los dispositivos de transporte de fluido de desplazamiento hace que sea difícil dar una lista de características comunes a todos ellos; sin embargo, para la mayor parte de los tipos, se puede decir que:

1) Son adaptables para el funcionamiento a presiones elevadas.

2) El gasto a través de la bomba es variable (incluso se pueden emplear sistemas auxiliares de amortiguamiento para reducir la magnitud de la pulsación, de presión y la variación de flujo).

3) Las consideraciones mecánicas limitan los gastos máximos.

4) Pueden tener un desempeño eficiente a índices de gasto y de volumen extremadamente bajos.

14

(16)

Capítulo 1 GENERALIDADES DE TUBERÍAS DE CONDUCCIÓN.

1.5.2 Fuerza centrifuga.

Cuando se utiliza fuerza centrifuga, esta es proporcionada por medio de una bomba centrifuga o de un compresor (véase Fig. 1.5). Aunque varia mucho el aspecto físico de los diversos tipos de compresores y bombas centrifugas, la función básica de cada uno de ellos es siempre la misma, o sea, producen energía cinética mediante la acción de una fuerza centrifuga y, a continuación, convertir parcialmente esa energía en presión, mediante la reducción eficiente de la velocidad, del fluido en movimiento.

En general, los dispositivos centrífugos de transporte de fluidos tienen las características que siguen:

1) La descarga esta relativamente libre de pulsaciones.

2) El diseño mecánico que presenta gases elevados, lo que significa que las limitaciones de capacidad constituyen raramente un problema.

3) Pueden asegurar un desempeño eficiente a lo largo de un intervalo amplio de presiones y capacidades, incluso cuando funcionan a velocidad constante.

4) La presión de descarga es una función de la densidad del fluido.

5) Esos son dispositivos de velocidades relativamente bajas y más económicas.

Fig. 1.5 Turbomaquinaria.

La bomba o compresor de flujo axial es un dispositivo que combina el empleo de la fuerza centrifuga con el impulso mecánico para producir un aumento de presión. En este dispositivo, el fluido se desplaza aproximadamente paralelo al eje a través de una serie de paletas radiales alternativamente giratorias y estacionarias, con secciones transversales aerodinámicas. El fluido se acelera en la dirección axial mediante impulsos mecánicos de las paletas giratorias y, al mismo tiempo se establece un gradiente positivo de presión en la dirección radial, en cada uno de las etapas, mediante la fuerza centrifuga. La elevación neta de presión por etapa es el resultado de estos dos efectos.

15

(17)

Capítulo 1 GENERALIDADES DE TUBERÍAS DE CONDUCCIÓN.

1.5.3 Impulso mecánico.

El impulso del principio mecánico, cuando se aplica a los fluidos, se combinan por lo común con uno de los otros medios de aplicación de movimiento. Como se menciono antes, esto es lo que ocurre en el caso de las bombas y los compresores de flujo axial. Las bombas de turbina o del tipo regenerativo, son otros dispositivos que funcionan parcialmente mediante impulso mecánico (véase Fig. 1.6).

Fig. 1.6 Impulso del hidrocarburo hacia las líneas de distribución.

1.5.4 Medición de rendimiento.

La cantidad de trabajo útil que cualquier dispositivo de transporte de fluidos ejecuta de:

1) El gasto masa de fluido a través de él, y;

2) La presión diferencial total medida inmediatamente antes y después del dispositivo, expresada como la altura de la columna equivalente de fluido en condiciones adiabáticas. A la primera cantidad citada se le llama normalmente capacidad, y a la segunda, carga o presión.

1.5.5 Capacidad.

Esta variable es expresada en diferentes unidades. En unidades del SI, la capacidad es expresada en metros cúbicos por hora (m3/h) tanto para líquidos como para gases. En unidades usuales en Estados Unidos se expresa en galones por minuto (gal/min) para líquidos y en pies cúbicos por minuto (ft3/min) para gases. En vista de que todas estas son unidades de volumen, cuando se quiera convertir en gasto masa, podemos emplear el peso especifico como factor de conversión.

Al manejar gases, la capacidad debe estar íntimamente relacionada con la presión y con la temperatura prevalecientes, sobre todo en la entrada de la maquina. Es importante 16

(18)

Capítulo 1 GENERALIDADES DE TUBERÍAS DE CONDUCCIÓN.

hacer notar que todas la cargas y otros términos en las ecuaciones siguientes están expresadas en la altura de la columna del fluido en cuestión.

1.5.6 Carga dinámica total.

La carga dinámica total H de una bomba es la carga total de descarga hd menos la carga total de succión hs. La carga total de succión es la lectura hgs de un manómetro en la medida de succión de una bomba (corregido para que este acorde con la línea central de la bomba) más la lectura barométrica y la carga de velocidad hvs en el punto de colocación del medidor:

vs gs

s h atm h

h = + + . . . ecuación 1.1

Si la presión manométrica en el succionador es menor que la atmosférica, requerirá la utilización de un vacuómetro cuya lectura se utilizara para hgs en la ecuación anterior, con un signo negativo.

Antes de la instalación, es posible estimar la carga total de succión como sigue:

fs ss

s h h

h = − . . . ecuación 1.2

En donde hss = carga estática de succión y hfs = carga de fricción en la succión.

1.5.7 Carga estática de succión.

La carga o presión estática de succión hss es la distancia vertical medida desde la superficie libre de la fuente de líquido a la línea de centro de la bomba más la presión absoluta en dicha superficie.

1.5.8 Carga total de descarga.

La carga o presión total de descarga hd es la lectura hgd de un medidor en el extremo de descarga de una bomba (corregida al eje de la bomba) más la lectura barométrica, más la carga de velocidad hvd en el punto de fijación del medidor:

vd gd

d h atm h

h = + + . . . ecuación 1.3

Una vez mas, si la presión de descarga manométrica esta por debajo de la atmosférica, la lectura del vacuómetro se utiliza como hgd en la ecuación anterior con un signo negativo.

Antes de la instalación, es posible estimar la carga total de descarga a partir de la carga estática de descarga hsd , y la carga de fricción de la descarga hfd , como sigue:

fd sd

d h h

h = + . . . ecuación 1.4

17

(19)

Capítulo 1 GENERALIDADES DE TUBERÍAS DE CONDUCCIÓN.

18 1.5.9 Carga estática de descarga.

La carga o presión estática de descarga hsd es la distancia vertical medida desde la superficie libre del liquido en el receptor hasta la línea de centro de la bomba, mas la presión absoluta en la superficie del liquido. La carga estática total hts es la diferencia de las cargas estáticas de descarga y succión.

1.5.10 Velocidad.

Puesto que la mayor parte de los líquidos son prácticamente incomprensibles, existe una relación definida entre la cantidad que fluye por un punto dado en un tiempo determinado y la velocidad del flujo. Esta relación se expresa como se sigue:

Av Q= Esta relación en unidades SI es como sigue:

v(para ductos circulares) 354 2 d

= Q . . . ecuación 1.5

Donde v= velocidad promedio de flujo, m/s; Q= cantidad de flujo, m2/h; y d=

diámetro interior del ducto, cm.

Esta misma relación en unidades usuales en Estados Unidos es:

v(para ductos circulares) 0.409 2 d

= Q . . . ecuación 1.6

Donde v= velocidad promedio de flujo, ft/s; Q= cantidad de flujo, gal/min; y d=

diámetro interior del ducto, in.

1.5.11 Carga de velocidad.

Es la distancia vertical desde la cual tendría que caer un cuerpo para adquirir la velocidad v.

g hv v

2

= 2 . . . ecuación 1.7

1.5.12 Viscosidad.

En los líquidos que fluyen, es preciso tomar en cuenta la existencia de fricción interna o la resistencia interna al movimiento relativo de las partículas de fluido. Esta resistencia se denomina viscosidad. Por lo común, la viscosidad disminuye al elevarse la

(20)

Capítulo 1 GENERALIDADES DE TUBERÍAS DE CONDUCCIÓN.

temperatura. Los líquidos viscosos tienden a incrementar la potencia que se requiera en la bomba, reducir la eficiencia de esta última, su carga y su capacidad, y a hacer aumentar la fricción en las líneas de tuberías.

1.5.13 Carga de fricción.

Es la presión que se requiere para vencer la resistencia al flujo en las tuberías y los accesorios.

1.5.14 Trabajo efectuado durante el bombeo.

Si queremos mover un liquido debemos efectuar un trabajo (véase la Fig. 1.7). Una bomba puede elevar un líquido a una altura mayor, forzarlo a entrar en un recipiente a mayor presión, proporcionar la presión requerida para vencer la fricción de la tubería o cualquier combinación de estas.

Fig. 1.7 Estación de servicio del ducto.

Independientemente del servicio que se requiere de una bomba, debemos impartirle toda la energía requerida para realizar este servicio; así mismo, se deben emplear unidades congruentes para todas las variables utilizadas en el cálculo de trabajo o potencia realizada.

Para el cálculo de rendimiento de una bomba, se acostumbra conocer su potencia desarrollada, que es el producto de:

La carga dinámica total

La masa de liquido bombeada en un tiempo dado

En unidades del SI, la potencia se expresa en kilowatts; en cambio, en los Estados Unidos la unidad convencional es el caballo de potencia (hp).

En unidades del SI la potencia es

19

(21)

Capítulo 1 GENERALIDADES DE TUBERÍAS DE CONDUCCIÓN.

20 105

670 .

3 ×

= HQρ

kW . . . ecuación 1.8

En donde kW es la potencia desarrollada por la bomba, kW; H, la carga dinámica total, m (columna de líquido); Q, la capacidad, en m3/h; y ρ, la densidad del liquido en kg/m.

Cuando la carga dinámica total H es expresada en pascales, entonces

106

599 .

3 ×

= HQ

kW . . . ecuación 1.9

(22)

Capítulo 2 CÒDIGOS Y NORMAS.

Capítulo 2. Códigos y normas.

21

(23)

Capítulo 2 CÒDIGOS Y NORMAS.

2.1 INTRODUCCIÓN.

Además de grupos existentes dentro de universidades, existen asociaciones de ingenieros las cuales se concentran en investigar nuevas tecnologías, publicar artículos, compartir conocimientos.

Otras de sus funciones son las de validar, estandarizar y crear normas. Una de estas asociaciones es el ASME (American Society of mechanical Engineers), la cual fue fundada en 1880 por Alexander Lyman Holley, Henry Rossiter Worthington, John Edison Sweet and Matthias N. Forney. En Estados Unidos establece los códigos y normas de dispositivos mecánicos.

Otra de estas organizaciones es el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI, por sus siglas en inglés: American National Standards Institute) es una organización sin ánimo de lucro que supervisa el desarrollo de estándares para productos, servicios, procesos y sistemas en los Estados Unidos. ANSI es miembro de la Organización Internacional para la Estandarización (ISO) y de la Comisión Electrotécnica Internacional (International Electrotechnical Commission, IEC). La organización también coordina estándares del país estadounidense con estándares internacionales, de tal modo que los productos de dicho país puedan usarse en todo el mundo.

Por ejemplo, los estándares aseguran que la fabricación de objetos cotidianos, como pueden ser las cámaras fotográficas, se realice de tal forma que dichos objetos puedan usar complementos fabricados en cualquier parte del mundo por empresas ajenas al fabricante original. De éste modo, y siguiendo con el ejemplo de la cámara fotográfica, la gente puede comprar carretes para la misma independientemente del país donde se encuentre y el proveedor del mismo.

2.2 CÓDIGO PARA TUBERÍAS A PRESIÓN.

El código para tuberías a presión (ANSI B31) consiste en cierto número de secciones que constituyen en forma colectiva el código. La tabla 2.1 muestra la forma que tenia el código B-31 en su emisión de diciembre de 1980. Las secciones se publican como documentos independientes por sencillez y conveniencia. Las secciones difieren sensiblemente unas de otras.

El Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code (ANSI B31.3) es una sección de ANSI B31, derivado de la función de los códigos de tuberías para plantas químicas (B31.6) y refinerías de petróleo (B31.3). Algunos de los aspectos más importantes de ANSI B31.3, se resumen a continuación y se enfocan principalmente a construcciones soldadas y sin costura. Cuando se menciona la palabra “código” en esta subsección, sin ninguna identificación adicional, se estará haciendo referencia a la sección B31.3 del código ANSI B31. El código fue publicado por la American Society of Mechanical Engineers, (ASME). Las referencias al código ASME son las que se refieren al código ASME Boiler and Pressure Vessel Code, publicado también por la misma ASME.

22

(24)

Capítulo 2 CÒDIGOS Y NORMAS.

Designación y número de

Norma Alcance y Aplicación Observaciones*

Tubería de potencia B 31.1.0

Para todas las tuberías en centrales generadoras de

vapor Último número 1980

Tubería para gases combustibles B 31.2

Para gases combustibles de centrales generadoras de

vapor y edificios industriales

Último número 1968

Tuberías para plantas químicas y refinerías

petroleras B 31.3

Para todas las tuberías dentro de los límites de las

instalaciones dedicadas al procesamiento y manejo de

productos petroquímicos y conexos, salvo aquellos proscritos por el código

Último número 1980

Tuberías de transporte de aceites B 34.4

Para productos líquidos, crudos o refinados en líneas

de tuberías por todo el terreno

Último número 1979

Tuberías de refrigeración B 31.5

Para tuberías de refrigeración en unidades

embaladas y edificios comerciales o públicos

Último número 1974

Tuberías para energía nuclear B 31.7

Para fluidos cuyas pérdidas en el sistema podrían

causar riesgos de radiaciones para el personal

de la planta o el público en general

Véase la sección 3 del código ASME para calderas

y recipientes a presión

Sistemas de distribución y transmisión de gases B

31.8

Para gases de tuberías por todo terreno, así como también para líneas de distribución de las ciudades

Último número 1975

* Se publican adiciones a intervalos entre la aparición de ediciones completas. Los datos sobre los últimos números pueden ser obtenidos de la American Society of Mechanical Engineers, 345 East 47th Street,

New York, N. Y. 10017

Tabla 2.1 Estado del código ANSI B31 para tuberías a presión.

2.2.1 Normas nacionales.

El American National Standards Institute, ANSI, y el American Petroleum Institute, API, han establecido normas dimensionales para los componentes de tuberías mas avanzados. En las secciones del código ANSI B31 es posible encontrar especificaciones sobre materiales de tuberías y accesorios y métodos de prueba de la American Society for

23

(25)

Capítulo 2 CÒDIGOS Y NORMAS.

Testing and Materials, ASTM, especificaciones de la American Welding Society, AWS, y normas de la Manufacturers Standarization Society of the Valve and Fitting Industry, MSS.

Muchas de estas normas contienen relaciones de presión-temperatura que sirven como ayuda a los ingenieros en su trabajo de diseño. No obstante, debe tenerse en cuenta que el empleo de normas no elimina la necesidad de aplicar el criterio de ingeniería. Por ejemplo, considérese que, aunque las formulas de cálculo del código reconocen la necesidad de una tolerancia que tenga en cuenta los efectos de corrosión, las tablas para normalización de válvulas, bridas, accesorios, etc., no incorpora la tolerancia correspondiente.

La introducción del código establece requisitos de ingeniería considerados como necesarios para el diseño seguro y la construcción de sistemas de tuberías. Aunque la seguridad es la consideración básica del código, no es el factor que predomina en la especificación final de ningún sistema de tubería a presión. Los diseñadores deben tener en cuenta que el código no es un manual de diseño y no se establece para evitar la necesidad de un criterio de ingeniería competente.

2.3 CONTENIDO Y ALCANCE DEL CÓDIGO.

El código prescribe los requisitos mínimos de los materiales, diseño, fabricación, ensamble, soportes, instalación, examen, inspección y prueba de los sistemas de tuberías sujetas a presión o vacío. En la figura 2.1 se ilustra el alcance del B31.3. Se aplica a todo tipo de fluidos que, incluso sólidos fluidificados y para todo tipo de usos, excepto los que se mencionan en la figura.

2.4 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERÍAS.

La selección de materiales que resisten al deterioro a consecuencia del uso esta fuera del alcance del código B31.3 (véase la sec. 23); no obstante, la experiencia ha ayudado a recopilar las siguientes consideraciones sobre los materiales, extraídas del código con permiso del editor, la American Society of Mechanical Engineers, New York.

2.4.1 Consideraciones Generales.

Las siguientes son las consideraciones que deben evaluarse al elegir el material de una tubería:

1. Posible exposición al fuego con respecto a la perdida de elasticidad, temperatura de degradación, punto de fusión o combustibilidad de la tubería o material de soporte.

2. Capacidad del aislamiento térmico para proteger la tubería del fuego.

3. Sensibilidad de la tubería a fallas quebradizas que pueden ocasionar una peligrosa fragmentación o falla al choque térmico cuando se expone al fuego.

4. Sensibilidad de los materiales de la tubería al agrietamiento por corrosión en áreas donde existe estancamiento (juntas roscadas) o efectos electrolíticos nocivos, cuando el metal es puesto en contacto con otro metal diferente.

24

(26)

Capítulo 2 CÒDIGOS Y NORMAS.

25

TANQUE EXTERNO TERMINAL DE CARGA INSTALACIÓN MARINA NOTA: LAS MISMAS OPCIONES QUE SE MUESTRAN ABAJO SE APLICAN PARA TUBERÍAS DENTRO DE LAS

MISMAS LÍNEAS PROPIEDAD DE LA COMPAÑÍA.

CALDERAS DE POTENCIA POR EL CÓDIGO ASME, SECCIÓN 1, TUBERÍA EXTERNA PARA CALDERAS POR ANSI B31.1 CON INSPECCIÓN Y SELLADO.

TUBERÍA DE REFRIGERACIÓN DISEÑADA Y CONSTRUIDA DE ACUERDO CON ANSI B31.5 O ANSI B31.3

RECIPIENTES A PRESIÓN, CAMBIADORES DE CALOR; BOMBAS, COMPRESORES Y OTROS EQUIPOS PARA

MANEJO DE FLUIDOS O EQUIPO DE PROCESO. INCLUIDA LA TUBERÍA INTERNA Y

CONEXIONES PARA TUBERÍA EXTERNA.

TUBERÍA EXCLUIDA POR 300.1.4 (A) DRENAJE DE TEJADO Y PISO. SISTEMAS DE CAÑERÍAS Y AGUAS NEGRAS, TUBERÍA PARA LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN CONTRA INCENDIO CONSTRUIDOS DE ACUERDO CON LAS ASEGURADORAS CONTRA RIESGO U OTRAS REGULACIONES RECONOCIDAS DE PROTECCIÓN CONTRA INCENDIO.

TUBERÍA LOCALIZADA EN CONJUNTOS PROPIEDAD DE LA COMPAÑÍA. APARTE DE LA TUBERÍA QUE CUMPLE CON OTROS CÓDIGOS O REGULACIONES

GUBERNAMENTALES CONSTRUIDAS DE ACUERDO CON LOS REQUERIMIENTOS DE LA REGULACIÓN GUBERNAMENTAL ANSI B31.4 Y B31.3

TUBOS, ACCESORIOS DE TUBOS Y CABEZALES, INCLUYENDO CONEXIONES PARA TUBERÍA

EXTERNA.

ANSI B3.1 (OPCIONAL)

TUBERÍA DENTRO DEL ALCANCE DE ANSI B31.3 TUBERÍA FUERA DEL ALCANCE DE ANSI B31.3 LÍMITES GRÁFICOS DE INSTALACIÓN, VÉASE 300.1.1 LÍMITES DE PROPIEDAD DE LA COMPAÑÍA

CONJUNTO APARTE DE TUBERÍAS QUE CUMPLE CON OTROS CÓDIGOS O REGULACIONES GUBERNAMENTALES

NOTA: DONDE SE MUESTRA QUE LA TUBERÍA ESTÁ DENTRO Y FUERA DEL ALCANCE DE ANSI B31.3, SE PERMITE UNA OPCIÓN PARA EL CUMPLIMIENTO DE LAS ESPECIFICACIONES.

FIGURA 2.1 ESQUEMA DE LAS TUBERÍAS CUBIERTAS POR EL CÓDIGO ANSI B31.3 CHEMICAL PLANT AND PETROLEUM REFINERY PIPING CODE (TUBERÍAS PARA PLANTAS QUÍMICAS Y REFINERÍAS DE PETRÓLEO)(DE ASME, CHEMICAL PLANT AND PETROLEUM REFINERY PIPING CODE, ANSI B31.3 - 1980; REPRODUCIDO CON PERMISO DEL EDITOR, LA AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS, NEW YORK.)

(27)

Capítulo 2 CÒDIGOS Y NORMAS.

5. La conveniencia de utilizar empaques, sellos, rellenos y lubricantes que sean compatibles con el fluido que se maneja.

6. El efecto refrigerante de pérdidas repentinas de presión en fluidos volátiles al determinar la temperatura mínima de empleo esperada.

2.4.2 Precauciones sobre materiales específicos.

Las siguientes son características que deben evaluarse cuando se utilicen materiales metálicos para la tubería:

1. Hierro: colado, maleable y al alto silicio (14.5%). Su baja ductilidad y su sensibilidad a los choques térmico y mecánico.

2. Acero al carbono y aceros de baja e intermedias aleaciones.

a. La posibilidad de resquebrajamiento cuando se manejan fluidos alcalinos o cáusticos.

b. La posible degradación de carburos a grafito cuando se tenga una prolongada exposición a temperaturas superiores a 427ºC (800ºF). Esto se debe de considerar para aleaciones de acero al carbón, acero níquel, acero al carbono-magnesio, acero al magneso-vanadio y acero al carbono-silicio.

c. La posible conversión de carburos en grafito cuando se tiene una prolongada exposición a temperaturas superiores a 468ºC (875ºF) la aleación de acero al carbono-molibdeno, acero al manganeso-molibdeno-vanadio y acero al cromo-vanadio.

d. Las ventajas de utilizar acero al silicio-carbono (0.1% de silicio como mínimo) para temperaturas superiores a 480ºC (900ºF).

e. La posibilidad de ataque por hidrogeno cuando la tubería es expuesta a este elemento o a soluciones acuosas acidas en ciertas condiciones de presión y de temperatura.

f. La posibilidad de que la tubería se deteriore cuando se exponga a sulfuro de hidrogeno.

3. Acero de altas aleaciones (inoxidable).

a. La posibilidad de que la corrosión llegue a tener proporciones importantes cuando la tubería de aceros inoxidables austeniticos se exponga a medios como cloruros y haluros, ya sea externa o internamente. Lo anterior puede ser como resultado de una selección o aplicación inadecuada del aislamiento térmico.

b. La sensibilidad a la corrosión intergranular del acero inoxidable austenitico, después de estar expuesto a temperaturas entre 427 y 871ºC (800 y 1600ºF), a menos que se establezca o se utilice acero al carbono de bajo grado.

c. La posibilidad de un ataque intercristalino del acero inoxidable austenitico por contacto con cinc o plomo a temperaturas por encima de sus puntos de fusión, o con muchos compuestos de cinc y plomo a temperaturas elevadas similares.

d. La fragilidad del acero inoxidable ferrítico a temperatura ambiente, posterior al uso por encima de 370ºC (700ºF).

26

(28)

Capítulo 2 CÒDIGOS Y NORMAS.

4. Níquel y aleaciones a base de níquel.

a. La sensibilidad al ataque superficial del níquel y aleaciones a base del níquel que no contengan cromo, cuando se expongan a pequeñas cantidades de azufre a temperaturas superiores a 315ºC (600ºF).

b. La sensibilidad al ataque superficial de las aleaciones a base de níquel, que contengan cromo, a temperaturas superiores a 595ºC (1100ºF) en condiciones reductoras y por encima de 760ºC (1400ºF) en condiciones oxidantes.

c. La posibilidad de un ataque por corrosión en forma de grietas a aleaciones de níquel-cobre (70Ni-30Cu) en vapores de acido fluorhídrico, si la aleación es sometida a gran esfuerzo o contiene residuos de soldadura o del molde.

5. Aluminio y aleaciones de aluminio.

a. La compatibilidad de los componentes roscados con aluminio para prevenir la ligadura o atenazamiento en las uniones.

b. La posibilidad de corrosión a causa del concreto, mortero, cal, yeso y otros materiales alcalinos empleados en la construcción u otras estructuras.

c. La posibilidad de que las aleaciones 5154, 5087, 5083 y 5456 sufran exfoliacion o ataque intergranular y que la temperatura superior sea de 65ºC (150ºF) a fin de evitar tal deterioro.

6. Cobre y aleaciones del cobre.

a. La posibilidad de que las aleaciones de bronce se degraden en el contenido de zinc.

b. La sensibilidad a la corrosión por las aleaciones a base de cobre.

c. La posibilidad de formación de acetiluros inestables cuando se exponen a acetileno.

7. Titanio y aleaciones de titanio.

a. La posibilidad de que las tuberías de titanio y sus aleaciones sufran deterioro cuando la temperatura sea superior a 315ºC (600ºF).

8. Zirconio y aleaciones de zirconio.

a. La posibilidad de que se deteriore la tubería cuando la temperatura sea superior a 315ºC (600ºF).

9. Tantalio.

a. Cuando la temperatura sea superior a 300ºC (570ºF) existe la posibilidad de que el tantalio reaccione con todos los gases, excepto los inertes. Por debajo de esta temperatura, la tubería puede ser quebradiza a consecuencia del hidrogeno naciente (monoatómico, no molecular) el hidrogeno naciente se produce por acción galvánica o surge a consecuencia de la corrosión originada por algunos componentes químicos.

2.5 SISTEMAS DE TUBERÍAS METÁLICAS: DE ACERO AL CARBONO Y ACERO INOXIDABLE.

Los sistemas de tuberías de metales ferrosos que incluyen los aceros maleables, al carbono e inoxidables, son los que más se utilizan y tienen mayor cobertura de parte de las normas nacionales.

27

(29)

Capítulo 2 CÒDIGOS Y NORMAS.

2.5.1 Tubos y tuberías.

Se divide en dos clases principales: soldados y sin costura. Las tuberías sin costura, como designación comercial, son las tuberías hechas mediante el forjado de un sólido redondo, su perforación mediante la rotación simultánea y el paso obligado sobre una punta perforada y su reducción mediante el laminado y el estiramiento. Sin embargo, se producen también tubos y tuberías sin costura mediante la extrusión, el colado en moldes estáticos o centrífugos, la forja y la perforación. La tubería sin costura tiene la misma resistencia en kilopascales (lbf/in2) a lo largo de toda la pared. Las tuberías sin costura perforadas tienen con frecuencia la superficie interna excéntrica con relación a la externa, lo que da como resultado un espesor no uniforme de las paredes.

Las tuberías soldadas se hacen con bandas laminadas conformadas en cilindros y soldadas en las costuras por varios métodos. Se atribuye a las soldaduras del 60 al 100% de la resistencia de las paredes de la tubería, dependiendo de los procedimientos de la soldadura e inspección. Se pueden obtener diámetros mayores y razones más bajas de espesores de las paredes respecto al diámetro de las tuberías soldadas que en las tuberías sin costura (aparte de las coladas). Se obtienen un espesor uniforme de las paredes. Las pruebas hidrostáticas no revelan tramos muy cortos de soldaduras completadas en forma parcial.

Esto presenta la posibilidad de que se puedan desarrollar prematuramente fugas pequeñas cuando se manejan fluidos corrosivos o se exponga la tubería a la corrosión externa. Es preciso tomar en cuenta la soldadura en los procedimientos de desarrollo para el acodamiento, el abocinado y la expansión de las tuberías soldadas.

Las combinaciones de espesor adicional, tamaño adicional y espesor de pared se encuentran disponibles para la manufactura de tubos. Las clasificaciones más comunes de tubos son “a presión” y “mecánica”. El espesor de pared (medido) se especifica por la

“pared media” o “pared mínima”. La pared mínima es más costosa que la pared media y, a consecuencia de las tolerancias mas estrechas para espesor de pared y diámetro, la medición para ambos sistemas hace que la tubería a presión sea más costosa. Sin embargo, los tubos soldados de acero al carbono de pared media, resistentes a la electricidad, con diámetro externo de 2⅜, 2⅞, 3½, 4½ in, obtenidos de bobinas sobre rodillos de formado progresivo y probadas electromagnéticamente más que a presión, compiten vigorosamente con las tuberías.

2.5.2 Juntas.

Las tuberías se deben unir a otras tuberías y otros componentes, como lo muestra el ejemplo de la figura 2.2. El diseño óptimo requiere un trabajo de montaje mínimo y prevé la misma resistencia que posee la tubería para:

1. Presión interna en lo que se refiere a las fracturas y las fugas.

2. Momentos de torsión que se producen al tener tramos largos de tuberías entre los soportes o debido a la dilatación térmica en las tuberías con acodamientos dobles.

3. Deformación axial por la presión interna que actúa sobre los cambios de dirección, llaves ciegas y válvulas cerradas o por la contracción térmica en los tramos rectos.

28

(30)

Capítulo 2 CÒDIGOS Y NORMAS.

4. Fractura o fugas en el caso de que se produzca algún incendio.

Sin embargo, las juntas en tuberías enterradas en el suelo, donde esta fija la posición de cada tramo y cada componente, solo necesitan proporcionar la misma resistencia que la tubería a la presión interna: en el caso de que haya asentamientos de tierra, se deberá exigir que las juntas sedan ante los momentos resultantes de torsión, sin fugas. Así mismo, en las tuberías sujetas a la dilatación y la contracción térmica, se puedan requerir que algunas juntas cedan ante los momentos de torsión resultantes y las formaciones axiales sin fugas.

Figura 2.2 Ejemplo de unión por medio de junta (bridada).

Las juntas de tuberías ideales están libres de cambios en cualquier dimensión de pasaje de flujo o la dirección que incremente la caída de presión o impida el drenaje completo. Estaría libre de hendiduras en las que se puede acelerar la corrosión. Requerirá un trabajo mínimo para su desmontaje. Al efectuar la selección será preciso tomar en cuenta la frecuencia con la que se tendrá que desmontar la junta. En términos generales, las juntas fáciles de desmontar son deficientes en uno o más de los otros requisitos de las juntas ideales. La mayor parte de las juntas incluyen modificaciones de los componentes que se unen; por lo común, se pueden adquirir las que tengan modificaciones deseadas.

2.5.2.1 Juntas soldadas.

La junta más utilizada en los sistemas de tuberías es la de soldadura por ensamble.

En todos los metales dúctiles de tuberías que se puedan soldar, hay codos, tes, tuberías, ramas laterales, reductores, tapones, válvulas, bridas y juntas de abrazadera en V en todos los tamaños y todos los espesores de paredes, con extremos preparados para la soldadura por ensamble. La resistencia de la junta igual a la tubería original (con excepción de las tuberías endurecidas para el trabajo que se templan mediante la soldadura), el patrón de flujos sin distorsiones y la resistencia generalmente integran a la corrosión, compensan ampliamente la necesaria alineación cuidadosa del trabajo competente y los equipos que se requieren.

Las tuberías de extremo liso que se utilizan para juntas de casquillo soldado existen en todos los tamaños; pero los accesorios y las válvulas con extremos de casquillo soldado 29

(31)

Capítulo 2 CÒDIGOS Y NORMAS.

se limitan a los tamaños de 3 in y menores, donde el costo adicional del casquillo se compensa mediante la alineación mucho mas sencilla y el hecho de que se requiere menos competencia para realizar la soldadura. La junta no es tan resistente a los esfuerzos de flexión como la soldadura por ensamble; pero de otro modo es igual con la excepción de que, para algunos fluidos, la grieta entre la tubería y el casquillo puede fomentar la corrosión. El código ANSI B16 11-1973, accesorios de acero forjado, con soldadura de casquillo y roscados, exige que el espesor de la pared del casquillo sea igual o mayor que 1.25 veces la pared mínima de la tubería.

2.5.2.2 Juntas roscadas.

Existen tuberías con extremos roscados, los roscados pueden ser rectos o cónicos (hembra o macho) según el código ANSI B2.1 en tamaños menores o iguales a 12”, sujetos a limitaciones mínimas de espesores de las paredes. También existen accesorios con terminación roscada recta o cónica en la mayor parte de materiales para tubería. Se requiere de un buen alineamiento en el ensamble.

Roscas de tubería recta. Este tipo de juntas se utiliza principalmente en tamaños de 2” y menores, ya que en este tipo de tuberías las paredes son más gruesas en relación a al diámetro y soportan más la presión interna y la corrosión después de la reducción del espesor debido a fileteado de las roscas. Se limitan a acoplamientos ligeros y el código la limita a una presión manométrica máxima de 1.0 MPa (150 psi) y una temperatura máxima de 182º C (360º F) para fluidos no inflamables ni tóxicos.

En diámetros mayores se requiere de alta precisión en el maquinado, lo cual eleva los costos. También en la instalación se requiere un grado alto de precisión de los instaladores y del equipo a utilizar; y como no existe un sello perfecto entre tramos y juntas, se recurre al uso de materiales de aporte conocidos como relleno de tubería para evitar la fuga en espiral. Otro tipo de sello para las juntas roscadas puede ser el uso de soldadura exterior, de esta manera también previene la fuga de fluidos.

Existe una variante en juntas roscada que se le denomina junta de unión. Se trata de una tuerca especial que está acoplada al extremo de una tubería a unir con otro tramo de terminación roscada. Este tipo de junta brinda un sello hermético gracias a que se le puede dar un poco más de torque a la tuerca provocando un asentamiento metal-metal que se oprime el uno contra el otro.

2.5.2.3 Juntas bridadas.

Se emplea en unión de tuberías y/o accesorios de 2” o más y requieren ser desmontables en caso de falla o mantenimiento. Aún cuando las uniones bridadas consumen mucho metal, el maquinado de precisión solo se requiere en las caras. No imponen tolerancias importantes al diámetro de la tubería. No se requiere una alineación cuidadosa para el montaje (cara plana y realzada). Existen accesorios con terminación bridada para su manejo. Existen seis tipos de bridas que se adaptan varias de las necesidades de la industria (fig 2.3):

30

(32)

Capítulo 2 CÒDIGOS Y NORMAS.

Brida roscada.

Brida deslizante soldable.

Brida de casquillo.

Brida superpuesta.

Cuello soldado.

Brida Ciega.

Fig 2.3 Clasificación de bridas.

Cabe mencionar que en este tipo de juntas se puede utilizar empaques para el sello perfecto en la unión. Todas la dimensiones y especificaciones se consultan en la norma ANSI B16.1 (bridas de hierro colado y accesorios bridados), y norma ANSI B16.5 (bridas para tuberías de acero y accesorios bridados).

2.6 DISEÑO DE SISTEMAS DE TUBERÍAS.

2.6.1 Seguridad.

La seguridad se puede definir como la estipulación de medidas de protección que se requieren para asegurar una operación sin riesgos de un sistema propuesto de tubería. Entre las consideraciones generales a evaluar deberían contarse las siguientes.

31

(33)

Capítulo 2 CÒDIGOS Y NORMAS.

1. Las características peligrosas del fluido al manejar,

2. La cantidad de fluido que se escapara a consecuencia de una falla en la tubería, 3. El efecto de una falla (por ejemplo, perdidas de agua de enfriamiento) en la

seguridad de toda la planta,

4. Evaluación de los efectos de una reacción con el medio ambiente (por ejemplo, la posibilidad de una fuente de ignición cercana),

5. El probable grado de exposición del personal de operación o mantenimiento; y 6. La seguridad de la tubería, según los materiales de construcción, métodos de unión

y el servicio que recibirá la tubería.

La evaluación de los requisitos de seguridad puede incluir protección técnica contra posibles fallas, como aislamiento térmico, armadura, vallas y disminución de la protección contra vibraciones graves, martillos de agua o condiciones de operación cíclicas. La protección del personal y accesorios, como válvulas, juntas bridadas y mirillas de vidrio no deberá pasarse por alto. La necesidad de medios de apago o control de flujo cuando ocurra una falla, como válvulas de bloqueo o de exceso de flujo, también deberá considerarse.

2.6.2 Clasificación de los servicios de fluidos.

El código se aplica a los sistemas de tuberías ilustrados en la figura 2.1, pero se han seleccionado dos categorías de servicios de fluidos para someterlos a una consideración especial. Estos son los siguientes.

2.6.2.1 Servicio de fluido de categoría D.

Definido como “un servicio que se aplica a las siguientes condiciones: 1) El fluido a manejar no es inflamable ni toxico; 2) La presión manométrica de diseño no es mayor de 1 MPa (150 psi); y 3) La temperatura de diseño se encuentra entre -29ºC (-20ºF) y 182ºC (360ºF)”.

2.6.2.2 Servicio de fluido de categoría M.

Definido como “un servicio en el que la sencilla exposición a una pequeña cantidad de fluido toxico, causado por una fuga, puede producir un daño irreversible en las personas al respirar o tener contacto directo, aun cuando se tomen medidas de auxilio inmediatas”.

2.6.3 Condiciones de diseño.

Las definiciones de temperaturas, presiones y otros aspectos aplicables al diseño de sistemas de tuberías se muestran a continuación.

2.6.3.1 Presión de diseño.

La presión de diseño de un sistema de tuberías no será menor que la presión en las condiciones conjuntas mas severas de presión y temperatura para el espesor mayor o relación presión-temperatura requerida.

32

(34)

Capítulo 2 CÒDIGOS Y NORMAS.

2.6.3.2 Temperatura de diseño.

La temperatura de diseño es la temperatura del material representativa para las condiciones conjuntas más severas de presión y temperatura. Cuando se trate de tubería metálica no aislada con fluido a una temperatura inferior a 38ºC (100ºF), la temperatura del metal será considerada como la temperatura del fluido.

Cuando un fluido se encuentre a una temperatura igual o superior a 38ºC (100ºF) y la tubería no tenga aislamiento externo, la temperatura del metal será tomada como un porcentaje de la temperatura del fluido, a menos que se determine una temperatura mas baja por experimentación o calculo.

Para tubería, válvulas roscadas y con extremos soldados, accesorios y otros componentes con un espesor de pared comparable al de esa tubería, el porcentaje será del 95%; para bridas y válvulas y accesorios bridados, será del 90%; para bridas con junta de solapa será de 85%; y para pernos, de 80%.

Cuando el sistema tenga aislamiento externo, la temperatura del metal será la que tenga el fluido que se maneje, a menos que existan cálculos de servicio proporcionados por el fabricante, resultados de experimentos o cálculos que justifiquen valores más bajos:

cuando se trate de tubería aislada internamente, la temperatura del metal se calculara o se obtendrá por experimentación.

2.6.3.3 Influencias ambientales.

Cuando el enfriamiento provoque vacío en la línea, el diseño debe estipular algún rompedor de vacío o presión externa; también debe considerarse la expansión térmica de objetos atrapados entre las válvulas cerradas o entre ellas. La tubería no metálica, recubierta o no, puede requerir protección cuando la temperatura ambiente exceda la temperatura de diseño.

La característica de ciertos servicios es la variación ocasional de la presión o temperatura, o ambas variables por debajo de los niveles de operación, pero no deben tomarse en cuenta estas variaciones si se han cumplido los criterios situados a continuación, por otra parte, las condiciones mas graves de presión y temperatura coincidentes durante la variación serán las que se empleen para las condiciones de diseño. (La aplicación de presiones que excedan las relaciones de presión-temperatura de las válvulas puede causar la pérdida de hermeticidad del asiento o hacer más difícil la operación. Esto es responsabilidad del propietario).

Se deben satisfacer todos los siguientes criterios:

1. El sistema no debe tener componentes de hierro colado u otro metal no dúctil expuestos a presión.

33

(35)

Capítulo 2 CÒDIGOS Y NORMAS.

2. Los esfuerzos nominales de presión no deben exceder el esfuerzo elástico a la temperatura especificada (véanse los datos de Sy en el código ASME sección VIII.

División 2).

3. Los esfuerzos longitudinales combinados SL no deben exceder los limites establecidos en el código (véase la presión de diseño de los componentes de la tubería, para establecer los limites de SL).

4. El número de ciclos (variaciones) no debe exceder el valor 7000 durante la vida del sistema de la tubería.

5. Las variaciones ocasionales por encima de lo establecido en las condiciones de diseño deben estar a dentro de uno de los límites siguientes para el diseño de la presión.

a. Cuando la variación no persista un tiempo superior a 10 h en cada ocasión y 100 h por año, se podrá exceder la relación de presión del esfuerzo permisible para la presión de diseño a la temperatura de la condición incrementada en un valor no mayor a 33%.

b. Cuando la variación no persista a más de 50 h en cada ocasión y 500 h por año, se podrá exceder la relación de presión o el esfuerzo permisible de la relación de presión para la temperatura de la condición incrementada en un valor no mayor al 20%.

2.6.3.4 Efectos dinámicos.

El diseño de estos sistemas debe contar con prevenciones contra impacto (como choques hidráulicos, etc.), viento (cuando la tubería este expuesta a el), terremotos (véase ANSI A58.1), reacciones de descarga y vibraciones (de tubería y soportes).

Las cargas de expansión y contracción térmica ocurren cuando un sistema de tubería se previene contra la expansión o contracción térmica libre, a causa de los artificios de sujeción, los cambios bruscos de temperatura o la irregular distribución de temperatura a causa de la inyección del líquido frío que golpea la pared de una tubería que contiene gas caliente.

2.6.4 Criterios de diseño: tuberías metálicas.

El código utiliza tres métodos diferentes para abordar el diseño, como sigue:

1. Prevé la utilización de componentes dimensionalmente normalizados en sus relaciones de presiones y temperaturas.

2. Proporciona formulas de diseño y esfuerzos máximos.

3. Prohíbe la utilización de materiales, componentes, o métodos de montaje en ciertas condiciones.

2.6.4.A Componentes que tienen relaciones de presión-temperatura específicas.

Estas se encuentran en las normas ANSI, API e industriales, y son aceptables para presiones y temperaturas de diseño, a menos de que estén limitadas por el código. En el apéndice E del código se proporciona una lista de componentes estándar. Las juntas 34

(36)

Capítulo 2 CÒDIGOS Y NORMAS.

bridadas, válvulas bridadas en la posición abierta y los accesorios bridados pueden someterse a pruebas hidrostáticas a una presión que no exceda el valor de la presión de prueba hidrostática de corteza. Las válvulas bridadas en la posición cerrada pueden someterse a una prueba hidrostática a una presión que no sea superior al 110% de la relación para 100ºF de la válvula, a menos que el fabricante especifique otro límite.

2.6.4.B Componentes sin relaciones de presión-temperatura específicas.

Los componentes como tuberías y accesorios soldados a tope se elaboran por lo general con espesores nominales. Los accesorios están calculados con las mismas presiones permisibles que las establecidas para tubería del mismo espesor nominal y, junto con la tubería, están considerados por las reglas para diseño de presión y otras previsiones del código.

2.6.4.1 Diseño de presión de componentes metálicos: espesor de las paredes.

La evaluación del esfuerzo de presión externa de las tuberías es la misma que para los recipientes de presión; sin embargo existe una diferencia importante cuando se establece una presión de diseño y un espesor de las paredes para la presión interna, como resultado del requisito del ASME Boiler and Preassure Vessel Code, de que el ajuste de la válvula de purga no debe ser superior a la presión de diseño. Para los recipientes, esto quiere decir que el diseño es para una presión del 10% más o menos por encima de la presión de operación máxima esperada, con el fin de evitar las fugas de la válvula durante el funcionamiento normal. No obstante en las tuberías, la temperatura y la operación de diseño se consideran como la consideración máxima esperada de operación de presión y temperatura, que dan como resultado, el espesor máximo. Las condiciones operacionales incrementadas temporalmente y que se vieron antes bajo el encabezado de “criterios de diseño” cubren el funcionamiento temporal a presiones que hacen que las válvulas de alivio tengan fugas o se abran por completo. El código contiene las especificaciones de esfuerzos permisibles para casi 1000 materiales diferentes.

Para tuberías metálicas rectas con presiones internas, la formula para el espesor mínimo de pared que se requiere, tm, se da a continuación y es aplicable para razones de Do/t mayores de 6. Las ecuaciones más conservadoras de Barlow y Lamé pueden ser también utilizadas. La ecuación incluye un factor Y que varía con el material y la temperatura para considerar la redistribución de esfuerzos perimetrales que se producen con flujo en estado estacionario a altas temperaturas y permite espesores ligeramente menores en este intervalo.

(

SE PY

)

C

tm PDO +

= +

2 . . . ecuación 2.1 En donde (en unidades congruentes):

P = Presión de diseño

DO = Diámetro exterior de la tubería

35

Referencias

Documento similar

Debido a que en el proceso de impresión 3D, la carga a la que está sometida la placa de impresión es el peso del material extruido sobre la misma (imagen tabla 2).. Los

Unidad de despresurización para UniVessel ® SU Un controlador de biorreactores para recipientes de cultivo de vidrio puede integrar válvulas de seguridad que requieran una

Como equipo de trabajo realizar una investigación seria y detallada del diseño de los recipientes de proceso sujetos a presión, en específico a los separadores

trata de una manguera de alta presión especialmente flexib- le para la limpieza interior de tuberías (conexión roscada para la boquilla

Existe una relación polinómica de segundo grado entre la altura de descarga y la altura de abastecimiento, en la misma se puede observar que conforme aumenta la

DESCRIPCION Este proyecto esta encaminado al diseño, construcción y prueba de concepto de una bomba para elevar la presión del agua en un proceso de osmosis inversa, la... bomba

Existe sin embargo, una gran diferencia con el método que acabamos de comentar: En una tela colgada, todos los hilos que la forman tienen una misma longitud; En el sistema

Cuando los tramos de una tubería se encuentran apoyados sobre un terreno en pendiente, la componente del peso propio de la tubería en la dirección de su trazado, (ver