Cap-16 Recipientes Parte-1 PDF

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Compendio de Cálculo Estructural II – FCEFyN – UNC

J.Massa-J.Giro-A.Giudici - 2015

Capítulo 16

RECIPIENTES DE PRESIÓN 1

INTRODUCCIÓN

Los recipientes de presión están presentes en todas las instalaciones industriales modernas, desde pequeños tanques de aire comprimido, pasando por recipientes para distintos fluidos en la industria alimenticia, hasta grandes depósitos y reactores en plantas químicas, petroquímicas, centrales eléctricas y nucleares ( ver Figura 1 ). También está difundido su uso en los sistemas de calefacción, refrigeración, de aire, oxígeno, etc., en complejos habitacionales y de servicios. Para los recipientes a presión existen normas que regulan las distintas etapas de la vida de estos equipos, que son : diseño, construcción, operación y mantenimiento.

(a ) Tanque de aire comprimido

(c) Torres de una destilería

( b ) Tanque horizontal

Figura 1: Diversos tipos de recipientes de presión en la industria

Las normas más difundidas son: a) ASME Boiler and Pressure Vessel Code ( BPVC) : en EEUU y Canadá. b) AD-Merkblatt Technical Rules for Pressure Vessels: vigente en Alemania. c) BS PD 5500 Specification for Unfired Fusion Welded Pessure Vessels: de origen inglés. d) EN 13445 Unfired Pressure Vessels: norma de alcance europeo. En Argentina, donde no se ha establecido una norma propia para diseñar recipientes de presión, está muy difundido el uso del Código ASME. En el caso de recipientes de grandes dimensiones para ser instalados a la intemperie se deben considerar, además de la presión y el peso, los efectos del viento; para ello se aplica el Reglamento CIRSOC 102 que define los requerimientos para tener en cuenta la acción del viento según las distintas zonas del país. Adicionalmente en las zonas que corresponde se debe tener en cuenta la acción sísmica utilizando el Reglamento CIRSOC 103.

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CÓDIGO ASME PARA CALDERAS Y RECIPIENTES DE PRESIÓN ( BPVC )

El código ASME está compuesto por doce secciones: I – Reglas para la construcción de calderas de potencia. II – Materiales. III – Reglas para la construcción de componentes de plantas nucleares. IV – Normas para la construcción de calderas de calefacción. V – Ensayos no destructivos. VI – Recomendaciones para el cuidado y la operación de calderas de calefacción. VII – Lineamientos para el cuidado de calderas de potencia. VIII – Reglas para la construcción de recipientes de presión. División 1 – Reglas básicas. División 2 – Reglas alternativas. División 3 – Reglas alternativas para recipientes de muy alta presión. IX – Calificaciones de procedimientos de soldadura. X – Recipientes de plástico reforzado con fibras. XI – Reglas para la inspección en servicio de componentes de plantas nucleares. XII – Reglas para la construcción y servicio continuado de recipientes para transporte. El presente capítulo está enfocado en los requisitos de diseño definidos en la Sección VIII División 1, para los recipientes de presión que operan a una presión interna o externa superior a 1 kg/cm 2 . No se desarrollan los aspectos concernientes a la fabricación, inspección, pruebas y certificación de dichos recipientes porque sería demasiado extenso.

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DISEÑO DE RECIPIENTES DE PRESIÓN SEGÚN EL CÓDIGO ASME BPVC SECCIÓN VIII – DIVISIÓN 1

La Sección VIII – División 1 está compuesta por tres subsecciones y apéndices obligatorios y no obligatorios. Las subsecciones son: A – General. • Parte UG – Requerimientos generales. B – Métodos de fabricación. • Parte UW – Recipientes soldados. • Parte UF – Recipientes forjados. • Parte UB – Recipientes fabricados por soldadura fuerte (brazing ), donde el material de aporte es diferente al material de las piezas a unir, y tiene una temperatura de fusión inferior. C – Materiales. • Parte UCS – Aceros al carbono y de baja aleación. • Parte UNF – Materiales no ferrosos. • Parte UHA – Aceros de alta aleación. • Parte UHT – Aceros ferríticos con propiedades mecánicas mejoradas por tratamiento térmico. La Subsección A establece los requerimientos generales para todos los recipientes de presión, la Subsección B fija las exigencias específicas relacionadas con los distintos métodos de fabricación y la Subsección C indica los requerimientos aplicables a los distintos tipos de materiales que se pueden utilizar en la construcción de recipientes. Los principios de diseño y construcción de la División 1 se aplican a recipientes con una presión de hasta 200 kg/cm2; para presiones superiores es necesario complementar esas especificaciones con reglas de diseño para alta presión.

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3.1 Materiales En las tablas de la Subsección C se identifican los materiales usualmente empleados para construir los recipientes de presión, como ya se anticipó en la página anterior las principales partes son : a) b) c) d)

UCS – Aceros al carbono y de baja aleación. UNF – Materiales no ferrosos. UHA – Aceros de alta aleación. UHT – Aceros ferríticos con propiedades mecánicas mejoradas por tratamiento térmico.

En el Anexo 1 ( pág. 398 ), se presenta la Tabla UCS-23 donde se listan aceros al carbono y de baja aleación. Los valores de las tensiones máximas admisibles en tracción S , para los materiales indicados en la tabla mencionada se encuentran en la Subparte 1 de la Sección II, Parte D. Las tensiones máximas admisibles varían con la temperatura. En el Anexo 2 ( pág. 399 y 400 ), se presenta una tabla típica de la Sección II a modo de ejemplo y en el Anexo 3 ( pág. 401 ), una tabla resumen con los materiales más usados en Argentina. La tensión máxima admisible en compresión, para el material de un cuerpo cilíndrico sometido a esfuerzos que generan tensiones axiales de compresión, es la menor de las tensiones S y B dadas a continuación: 1) La tensión S es la tensión máxima admisible en tracción, determinada empleando el Anexo 2 y el Anexo 3 como se indicó en los párrafos precedentes; 2) La tensión B se obtiene como sigue: 2a) Se calcula la relación geométrica A , según la siguiente fórmula: A=

donde :

0,125

( R 0 /t )

(1)

R0 radio exterior del cuerpo cilíndrico. t espesor del cuerpo cilíndrico.

2b) Con el valor de A y la temperatura de trabajo se determina B, que es la tensión máxima admisible del material en compresión en función de la temperatura y de la relación R 0 / t . Para ello se debe utilizar el gráfico del Anexo 4 ( pág. 402 y 403 ) que corresponda al material utilizado en el recipiente. Los gráficos para los tipos de materiales más usados están incluidos en la Subparte 3 del Código ASME Sección II, Parte D. 2c) Cuando el valor de A es grande y cae a derecha de la curva de temperatura correspondiente, se debe utilizar el máximo valor de B para dicha curva de temperatura. 2d) Para un valor de A muy pequeño y que cae a la izquierda de la curva de temperatura correspondiente, el valor de B se calcula como: AE 2 donde E es el módulo de elasticidad del material a la temperatura de diseño. B =

(2)

3.2 Diseño general de recipientes ( Parte UG ) Presión y temperatura Los recipientes que cumplen con la Parte UG de la División 1, se deben diseñar para la condición más severa de presión y temperatura simultaneas esperadas durante la operación normal. Las temperaturas máximas y mínimas de diseño no deben exceder los límites establecidos en las Tablas de la Subsección C para el material seleccionado, según se describe en el punto 3.1. La presión de diseño P es la presión que se utiliza para el cálculo dimensional de las distintas partes de un recipiente. En general, esta presión es algo superior a la máxima presión de operación normal del proceso P0, correspondiente al recipiente. La bibliografía especializada sugiere adoptar

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una presión de diseño: P = mayor ( 1,1 P0 ; P0 + 2

donde:

)

 kg cm2 

(3)

P presión de diseño. P0 máxima presión de operación normal del proceso.

Cargas Según lo establecido en UG-22, las cargas a considerar en el diseño de recipientes son: a ) Presión interna o externa. b ) Peso del recipiente y su contenido ( en operación y en ensayo, por ejemplo el agua usada en la prueba hidrostática). c ) Otras cargas estáticas: pesos de equipos ( motores, bombas, otros recipientes, cañerías, etc.). d ) Cargas dinámicas debidas a variaciones de presión, temperatura, equipos, etc. e ) Fuerzas de la naturaleza: viento, nieve, hielo, sismos. f ) Variaciones térmicas. g ) Presiones anormales, provocada por errores de operación. En general, el espesor mínimo para el cuerpo y los cabezales debe ser 1,6 mm ( 1/16 ”) , excluido el sobreespesor por corrosión. Un sobreespesor por corrosión, generalmente está indicado en las pautas del diseño; el mismo debe ser suficiente para que el recipiente pueda cumplir la vida programada. Es importante tener en cuenta las tolerancias de fabricación de las cañerías y/ o placas utilizadas para la fabricación de los recipientes.

3.2.1 Diseño de cuerpos y cabezales bajo presión interna Cuerpo cilíndrico Para cuerpos cilíndricos de pared delgada sometidos a presión interna ( ver Figura 2), el espesor requerido por la tensión tangencial σt es mayor ( el doble ) que el requerido por la tensión longitudinal σL.

Figura 2: Tensiones en un cuerpo cilíndrico sometido a presión interior

Esfuerzo tangencial: El espesor requerido en función de la presión interior y la presión admisible en función del espesor pueden calcularse a partir del valor del radio interno R o externo R0 tr =

Si: t ≤ R 2 donde:

PR P R0 = S E − 0,6 P S E + 0,4 P

o

Pa =

;

S Et S Et = R + 0, 6 t R0 − 0,4 t

P ≤ 0,385 S E

S

tensión máxima admisible

R

radio interior.

E

eficiencia de la junta en las soldaduras.

R0

radio exterior.

tr

espesor mínimo requerido para el cuerpo.

Pa

presión admisible.

t

espesor del cuerpo cilíndrico.

P

presión interior de diseño.

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(4)

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Esfuerzo longitudinal: El espesor requerido en función de la presión interior y la presión admisible en función del espesor pueden calcularse a partir del valor del radio interno R o externo R0: tr =

Si: t ≤ R 2 donde:

S E tr t

PR P R0 = 2 S E + 0, 4 P 2 S E + 1, 4 P

o

Pa =

;

2SEt 2SEt = R − 0, 4 t R0 − 1, 4 t

(5)

P ≤ 1, 25 S E

R R0 Pa P

tensión máxima admisible eficiencia de la junta en las soldaduras. espesor mínimo requerido para el cuerpo. espesor del cuerpo cilíndrico.

radio interior. radio exterior. presión admisible. presión interior de diseño.

Cuerpo esférico El espesor requerido en función de la presión interior y la presión admisible en función del espesor pueden calcularse a partir del valor del radio interno R o externo R0: tr =

donde:

S E tr t

P R0 PR = 2 S E − 0,2 P 2 S E + 0,8 P

Pa =

;

tensión máxima admisible eficiencia de la junta en las soldaduras. espesor mínimo requerido para el cuerpo. espesor del cuerpo cilíndrico.

2SEt 2SEt = R + 0,2 t R0 − 0,8 t

R R0 Pa P

(6)

radio interior. radio exterior. presión admisible. presión interior de diseño.

Nota importante: En el cálculo de los espesores requeridos para los cuerpos y para los cabezales, el radio interno (o externo) es tomado excluyendo el sobreespesor por corrosión. De ese modo se puede garantizar que el recipiente cumplirá los requisitos aún en la etapa final de la vida útil cuando esté corroído. Cabezales Los cabezales contemplados en el código ASME son los siguientes (ver Figura 3): a) Elipsoidales. b) Torisféricos. c) Hemisféricos. d) Cónicos. e) Toricónicos. f) Planos. g) Conformados. En las fórmulas para cabezales se emplea la siguiente notación ( indicada en la Figura 3 ): D diámetro interior del cabezal. En el cabezal elipsoidal es la longitud del eje mayor. Di diámetro interno de la porción cónica del cabezal toricónico. α mitad del ángulo del cono. L radio de conformado (crown radius). r radio de transición (knuckle radius). h mitad de la longitud del eje menor del cabezal elipsoidal, medida internamente. a) Cabezal elíptico 2:1 El espesor requerido tr ( o la presión admisible Pa ) para este tipo de cabezal es: tr =

Si: t L ≥ 0,002

PD 2 S E − 0,2 P

y

Pa =

;

D/h = 4

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2SEt D + 0,2 t

(7)

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(a) Elipsoidal

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( b ) Torisférico

( c ) Hemisférico

( d ) Cónico

( e ) Toricónico Figura 3: Tipos de cabezales

b) Cabezal torisférico (tipo ASME ) El espesor requerido tr ( o la presión admisible Pa ) para este tipo de cabezal es: tr =

Si: t L ≥ 0,002 ,

0,885 P L S E − 0,1 P

r=6%L

y

Pa =

;

S Et 0,885 L + 0,1 t

(8)

L=D

c) Cabezal hemisférico El espesor requerido tr ( o la presión admisible Pa ) para este tipo de cabezal es: tr =

Si: t ≤ 0,356 L

o

PL 2S E − 0,2 P

Pa = 2

;

S Et L + 0,2t

(9)

P ≤ 0,665 S E

d) Cabezal o cuerpo cónico El espesor requerido tr (o la presión admisible Pa ) para cabezales y cuerpos cónicos, sin radio de transición resulta : tr =

PD 2cosα ( S E − 0,6P )

;

Pa = 2

SEt D + 1,2 t cosα

(10)

Si: α ≤ 30° . e) Cabezal o cuerpo toricónico El espesor requerido para la parte cónica se calcula de acuerdo con la fórmula (10), usando Di en lugar de D, si el radio de transición r no es menor al 6 % del diámetro exterior de la falda del cabezal ( ver Figura 3 ) , ni menor de tres veces el espesor de la zona de transición. El espesor de la zona de transición se calcula de acuerdo con lo establecido en los apéndices obligatorios del Código ASME.

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f ) Cabezal plano – Tapa plana El Código ASME admite distintos tipos de cabezales y tapas planas que están indicados en la Figura UG-34, y se presentan a continuación en la Figura 4.

Notas: (1) Los croquis mostrados en esta figura son solo ilustrativos. Otros diseños que cumplan los requerimientos de UG-34 también son aceptables. (2) Cuando hay dos o más valores posibles para C se debe cumplir lo establecido en UG-34 (d ). (3) ts es el espesor del cuerpo. El subíndice ‘s’ proviene de “shell ”. (4) tr es el espesor requerido para el cuerpo sin costura ( E = 1). Figura 4: Algunos tipos aceptables de cabezales planos y tapas desmontables indicados en la FIG. UG-34

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El espesor requerido tr para cabezales circulares planos soldados es: CP SE

tr = d

(11)

Para cabezales circulares planos abulonados ( Figura 4, croquis j y k ) , el espesor requerido tr es: tr = d

donde:

d

CP + SE

1,9 W hG

(12)

S Ed3

diámetro del cabezal.

C

factor que considera el método de unión del cabezal con el cuerpo; se obtiene de la Figura 4. En aquellos diseños donde aparecen dos o más valores posibles para C se debe cumplir con lo establecido en UG-34 (d ). P presión interior de diseño. S tensión máxima admisible. E eficiencia de la junta soldada. W carga total de los espárragos. hG brazo de palanca indicado en los croquis ( j) y ( k ) de la Figura 4.

3.2.2 Diseño de cuerpos y cabezales bajo presión externa Cuerpo cilíndrico Los recipientes cilíndricos diseñados bajo la Sección VIII - División 1 del Código ASME, pueden o no contener soportes ( ej.: anillos de refuerzo). Todos los tramos entre soportes deben ser verificados al pandeo. El Código no contempla el pandeo de cuerpos cilíndricos de recipientes muy largos como columna. Esta verificación, si es necesaria, se hace fuera del Código. La Figura 5 muestra algunos casos típicos de recipientes sometidos a presión externa.

Figura 5: Tipos de recipientes sometidos a presión exterior

Los principales parámetros a considerar son: Pa presión externa máxima admisible. D0 diámetro exterior del cilindro.

t

espesor del recipiente.

L longitud entre soportes.

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La Figura 6 muestra algunos tipos de líneas de soporte, por ejemplo: a) b) c) d)

Línea circunferencial a un tercio de la profundidad de un cabezal. Anillo de refuerzo. Recipiente encamisado. Uniones cono– cilindro y toricónico– cilindro. Estas uniones son líneas de soportes si el momento de inercia que ellas generan cumplen con lo indicado en el punto 1-8 del Código.

En general, el diámetro externo D0 es un dato prefijado en las condiciones generales de diseño, por lo que el proyectista puede definir con mayor libertad el espesor t y la longitud entre soportes L, mediante el agregado de anillos de refuerzo. Se debe encontrar un punto de equilibrio entre el costo de material ( volumen de cilindro más refuerzos ) y el costo de fabricación de las mencionadas partes constitutivas del recipiente.

Figura 6: Tipos de líneas de soporte

Caso D 0 /t≥ 10 Para determinar el espesor requerido por un tramo cilíndrico sometido a presión exterior, donde D 0 / t≥ 10, se procede de la siguiente manera: a ) Se propone un espesor t. b ) Se propone la cantidad y la localización de los anillos de refuerzo, definiendo L. c ) Se determinan las relaciones L / D0 y D0 /t. d ) Se determina la relación geométrica A usando la Figura G de la Subparte 3 del Código ASME Sección II, Parte D ( ver gráfico paramétrico en el Anexo 5 de la página 404). Se ubica L /D0 en ordenadas y se mueve horizontalmente hasta ubicar la curva paramétrica correspondiente a D0 /t ( interpolando entre dos curvas próximas ) y desde allí se baja para leer en abscisas el valor de A. e ) Con el valor de A se determina la tensión B, que depende de la temperatura de trabajo, utilizando el gráfico del Anexo 4 ( pág. 402 y 403 ), correspondiente al material del recipiente. Los gráficos para los tipos de materiales más usados están incluidos en la Subparte 3 del Código ASME Sección II, Parte D. Cuando el valor de A cae a la derecha de la correspondiente curva de temperatura, se debe utilizar el máximo valor de B para dicha curva de temperatura.

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f ) La presión externa máxima admisible Pa se calcula como: Pa =

4B 3 (D0 / t )

(13)

g ) Cuando el valor de A cae a la izquierda de la curva de temperatura considerada, no ...