TEMPERATURA Y PRESION DE DISEÑO PDF

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PDVSA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA N° TITULO MDP–01–DP–01 TEMPERATURA Y PRESION DE DISEÑO 0 NOV.95 30 REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB. APROB. FECHA APROB. FECHA E1994 ESPECIALISTAS MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA MDP–01–DP–01 REVISION FECHA CRITERIOS DE DISEÑO PDVSA 0 NOV.95 TEM...

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PDVSA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

PDVSA N°

MDP–01–DP–01

0

NOV.95

REV.

FECHA

APROB.

E1994

TITULO

TEMPERATURA Y PRESION DE DISEÑO

30 DESCRIPCION FECHA

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ESPECIALISTAS

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Indice 1 ALCANCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

3 PRINCIPIOS BASICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

4 DEFINICIONES GENERALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

5 TEMPERATURA DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatura de diseño de equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatura de diseño de tuberías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flexibilidad de tuberías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 6 7 14 14

6 PRESION DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Presión de diseño de equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Presión de diseño de tuberías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Especificaciones de materiales de tuberías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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ALCANCES Establecer lineamientos para fijar la temperatura y la presión de diseño de recipientes a presión, tanques de almacenamiento, intercambiadores, equipos.generales y tuberías para nuevas plantas o instalaciones. Definir en forma consistente los variados términos relacionados con presión y termperatura que se usan en el diseño y operación de plantas, con el fin de facilitar la comunicación entre los diferentes ingenieros involucrados.

2

REFERENCIAS Manual de Diseño de Procesos (MDP) 05–E–01 05–E–02 05–E–03 05–E–04 05–E–05 05–S–01 05–S–03 05–S–04 05–S–05

Intercambiadores de Calor: Principios Básicos Intercambiadores de Calor: Procedimientos Intercambiadores de Tubo y Carcaza Intercambiadores de Calor: Procedimiento Enfriadores de Aire Intercambiadores de Calor: Procedimiento Intercambiadores de Doble Tubo Intercambiadores de Calor: Procedimiento Servicios Criogénicos

de Diseño para de Diseño para de Diseño para

Tambores Separadores: Principios Básicos Tambores Separadores, Procedimientos de Diseño: Separadores Líquido–Vapor Tambores Separadores, Procedimientos de Diseño: Separadores Líquido–Líquido Tambores Separadores, Procedimientos de Diseño: Separadores Líquido–Líquido–Vapor

Manual de Ingeniería de Diseño (MID) S Vol. 5 Equipos S Vol. 6 Equipos con Fuego S Vol. 8 Intercambiadores de Calor S S S S S

de Diseño para

Materiales de Tuberías Vol. 13–1 H–221 Vol. 14 Equipos Rotativos Vol. 19 Tanques Vol. 21 Recipientes a Presión Vol. 22 Seguridad en Diseño

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Otras Referencias S API RP 520 Sizing, Selection and Installation of Pressure–Relieving Devices in Refineries; Parts I and II S API RP 521 Guide for Pressure–Relieving and Depressuring Systems S API STD 605 Large–Diameter Carbon Steel Flanges S API STD 620 Design and Construction of Large, Welded, Low–Pressure Storage Tanks S API STD 650 Welded Steel Tanks for Oil Storage S API STD 2000 Venting Atmospheric and Low–Pressure Storage Tanks S ANSI B16.1 Cast Iron Pipe Flanges and Flanged Fittings, Class 25, 125, 250, and 800 S ANSI B16.5 Steel Pipe Flanges and Flanged Fittings S ANSI B16.34 Steel Valves S ASME B31.1 Power Piping (ANSI B31.1) S ASME B31.3 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping (ANSI B31.3) S ASME Code Boiler and Pressure Vessel Code: S Section I, Power Boilers S Section VIII, Pressure Vessels, Divisions 1 and 2

3

PRINCIPIOS BASICOS La temperatura y la presión de diseño de un sistema afectan la seguridad, la confiabilidad y la economía de la planta. La fijación de la temperatura y la presión de diseño influencia o determina el material a utilizar, el espesor del componente, la flexibilidad de la tubería, la disposición de las unidades, los soportes, el aislamiento, la fabricación y las pruebas de los equipos y sistemas de tuberías a ser instalados. La temperatura y la presión de diseño deben ser establecidas de forma tal que sean adecuadas para cubrir todas las condiciones de operación previsibles, incluyendo arranque, parada, perturbaciones del proceso, incrementos planificados en la severidad de operación, diferentes alimentaciones y productos, y ciclos de regeneración, cuando aplica. En muchos diseños, es necesario agregar un incremento de temperatura y presión a las condiciones normales de operación, para cubrir las variaciones de operación. Se deben especificar condiciones alternas de diseño para equipos y tuberías que deban estar sujetos a temperaturas y presiones mayores que las condiciones normales de diseño. Un ejemplo típico de esto es la situación de regeneración de catalizador involucrada en procesos de lecho fijo. Aquí, el reactor y la tubería están sujetos a una temperatura de operación alterna, superior a la temperatura de operación normal, pero a una presión reducida. Diseños en base a lapsos cortos

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o intermedios de tiempo se pueden aplicar solamente a tuberías; para el caso de recipientes a presión o intercambiadores de calor, se deben seguir los códigos y prácticas de diseño apropiados. En general, las condiciones de temperatura y presión de diseño para equipos de planta (recipientes a presión, calderas, tanques, intercambiadores de calor, columnas, reactores, etc.), así como las condiciones generales de diseño para tubería son establecidas durante el desarrollo de la ingeniería básica, por ingeniería de procesos, mientras que la selección del tipo específico de tubería a utilizar se establece de acuerdo a las especificaciones de materiales de tubería que rigen el proyecto, las cuales se basan en la clasificación de presión de las bridas según el tipo de material seleccionado para el manejo de un determinado fluído. En lugar de definir condiciones de diseño separadas para cada uno de los equipos y sistemas de tuberías considerados en un proyecto, normalmente es recomendable definir sistemas que esten expuestos a las mismas condiciones y protegidos por el mismo arreglo de alivio de presión, lo cual permite una definicón común de las condiciones de diseño, resultando en un diseño coherente y de fácil seguimiento durante las fases de ingeniería de detalles, fabricación, construcción y prueba.

4

DEFINICIONES GENERALES A continuación se definen algunos términos generales relacionados con el tema de la presente práctica de diseño, para una mayor claridad del texto: Fluido de servicio Según el ASME B31.3, “Fluido de Servicio” es un término general aplicado al diseño de sistemas de tuberías, relacionado con la consideración de la combinación de las propiedades del fluido, las condiciones de operación y otros factores que establecen las bases de diseño del sistema. La clasificación de los servicios es la siguiente: a. Fluido de servicio categoría D Para clasificar un fluido en esta categoría, todos los renglones siguientes deben aplicar: a.1

El fluido considerado es no inflamable, no tóxico e inocuo para los tejidos humanos.

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a.2

La presión manométrica de diseño no excede los 1030 kPa (150 psig), y

a.3

La temperatura de diseño está entre –29 °C (–20 °F) y 186 °C (366 °F).

b. Fluido de servicio categoría M Este es un servicio para el cual el potencial de exposición para las personas es considerado significativo, en el cual, una sola exposición a muy pequeñas cantidades de un fluido tóxico causada por fugas en el sistema, puede producir daño serio e irreversible a las personas, ya sea por inhalación o contacto, aún cuando se tomen medidas correctivas en forma inmediata. c. Fluido de servicio de alta presión Es un servicio para el cual el dueño del proyecto especifica un nivel de alta presión, de acuerdo con el Capítulo IX del ASME B31.3, para el diseño y la construcción de las tuberías. d. Fluido de servicio normal Este es el servicio de la mayor parte de los sistemas de tuberías cubiertos por el ASME B31.3, los cuales no están sujetos a las reglas de los servicios descritos en a, b y c, y que no están sujetos a condiciones cíclicas severas. Fluido inflamable Describe un fluido que en condiciones ambientales o bajo las condiciones de operación previstas es un vapor o produce vapores que pueden iniciar una combustión y continuar con la misma en presencia de aire. El término puede aplicar, dependiendo de las condiciones de servicio, a fluidos definidos para otros propósitos como inflamables o combustibles. Tubería Es un sistema que consta de tubos, bridas, pernos, empacaduras, válvulas, accesorios, juntas de expansión, tensores, juntas giratorias, elementos para soportar tuberías, y aparatos que sirven para mezclar, separar, amortiguar, distribuir, medir y controlar el flujo. El diseño, la fabricación y la construcción de sistemas de tuberías están regulados por códigos, de acuerdo a su uso; los principales códigos aplicables son: ASME/ANSI B31.1 Power Piping ASME/ANSI B31.3 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Tratamiento térmico Es el calentamiento uniforme de una estructura, tubería, o porción de la misma, a una temperatura suficiente para aliviar la mayor parte de la tensión residual, seguido por un enfriamiento uniforme, suficientemente lento para minimizar el desarrollo de nuevas tensiones residuales.

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TEMPERATURA DE DISEÑO 5.1

Generalidades La temperatura de diseño de equipos y sistemas de tuberías se define generalmente como la temperatura correspondiente a la más severa condición de temperatura y presión coincidentes, a la que va a estar sujeto el sistema.De igual importancia en el diseño y las especificaciones mecánicas son la temperatura mínima y, en algunos casos, otras temperaturas extremas que puedan ocurrir a vacío o a bajas presiones de operación. Como todos estos niveles de temperatura de diseño, mínima y de operación extrema, tienen una influencia significativa en el diseño mecánico, en la selección del material, y en la economía de los sistemas considerados, es necesario para los diseñadores considerar cada uno de ellos cuando se especifican las condiciones de diseño. Considerando estos factores, los diseñadores de proceso deben especificar la temperatura de diseño (que representa el máximo límite de temperatura) y la temperatura crítica de exposición (que representa el límite mínimo de temperatura) para todos los sistemas.

5.2

Definiciones Temperatura de operación Es la temperatura de fluido del proceso prevista para la operación normal. Temperatura de operación máxima Es la temperatura más alta del fluido del proceso prevista para las desviaciones esperadas de la operación normal. Esto incluye arranque, despresurización, parada, operaciones alternadas, requerimientos de control, flexibilidad operacional y perturbaciones del proceso. La definición de esta temperatura debe ser considerada individualmente, evaluando las causas que la determinan, y cualquiera que sea el caso determinante, se debe establecer en los documentos de diseño. Temperatura de operación mínima Es la temperatura más baja del fluido del proceso prevista para las desviaciones esperadas de la operación normal. Esto incluye arranque, despresurización, parada, operaciones alternadas, requerimientos de control, flexibilidad operacional y perturbaciones del proceso. L a condición causante de la mínima temperatura de operación debe ser establecida en los documentos de diseño. Temperatura de diseño Es la temperatura del metal que representa las condiciones coincidentes más severas de presión y temperatura. Esta temperatura es utilizada para el diseño mecánico de equipos y tuberías, incluyendo la selección de materiales.. Esta

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temperatura de diseño debe ser al menos 10°C (18°F) superior a la temperatura de operación máxima, pero en ningún caso inferior que la máxima temperatura en casos de emergencia, como falla de servicios, bloqueo de operación, falla de instrumentos, etc. La temperatura de diseño de equipos y sistemas protegidos por válvulas de alivio, debe ser al menos la máxima temperatura coincidente con la presión de ajuste de la válvula de alivio respectiva. Temperatura crítica de exposición (TCE) Es la mínima temperatura de metal a la cual un componente estará sujeto, para una presión mayor al 25 por ciento de la presión de diseño. Esto normalmente ocurre en los arranques y está basado en las condiciones mínimas del ambiente, a menos que ocurra una temperatura de operación más baja. La TCE debe ser al menos tan baja como la temperatura de operación mínima. Temperatura mínima de prueba hidrostática Es la temperatura más baja a ser utilizada para el agua en una prueba hidrostática. Debería ser 6°C (11°F) más que la TCE para componentes con espesores iguales o menores de 50 mm (2 pulg), y al menos 17°C (31°F) más que la TCE para componentes con espesores mayores de 50 mm (2 pulg.).

5.3

Temperatura de diseño de equipos La temperatura de diseño de los equipos a presión o a vacío se determina estableciendo las condiciones más severas, simultáneas, de temperatura y presión que ocurrirán en cualquier fase de las operaciones del proceso. Esta temperatura se usa en el diseño mecánico para establecer los niveles de esfuerzo de diseño y determinar los espesores mínimos del metal que se requieren para satisfacer los códigos u otros criterios mecánicos.

5.3.1

Equipos a temperaturas mayores que el ambiente El incremento de temperatura utilizado para cubrir las variaciones de operación para temperaturas de diseño hasta 400°C (752°F) no tiene restricciones cuando el material es acero. La relación entre el esfuerzo permisible y la temperatura de diseño es lineal para el acero y el incremento de costo es aproximadamente lineal dentro de este rango de temperatura. En este rango de temperatura se agrega normalmente un incremento de 28°C (50°F) a la temperatura de operación a fin de establecer la temperatura de diseño, cuando no se tiene una temperatura de operación máxima superior a la de operación normal. A temperaturas superiores a 400°C (752°F), el esfuerzo permisible disminuye abruptamente y el costo aumenta rápidamente. Para estas temperaturas superiores se deben considerar alternativas económicas como la del aislamiento

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interno de los equipos o aleaciones especiales de acero. Además, el costo de algunos equipos o unidades se puede minimizar con una selección cuidadosa de la presión y/o temperatura de diseño. Por ejemplo, la presión y la temperatura de diseño no se deben fijar arbitrariamente a un nivel alto, tal que se requiera una clase siguiente superior de tubería o un material más costoso. A continuación se presentan algunos factores que afectan la determinación de la temperatura de diseño para varios tipos de equipo, mencionando las prácticas comunes para definir la misma: Recipientes a presión 1. Aislamiento – Muchos recipientes tienen aislamiento térmico para prevenir las pérdidas de calor, proteger el personal, o suministrar protección contra incendios. Para recipientes aislados externamente, las bridas de las boquillas normalmente no se aíslan, de modo tal que se permite una reducción de 10% por debajo de la temperatura de diseño del fluido para la temperatura de diseño del metal de esas bridas. Si las bridas de las boquillas llevan aislante, la temperatura de diseño del metal es igual a la temperatura de diseño del fluido. Algunas veces los recipientes están provistos con aislamiento interno para reducir la temperatura de diseño del metal a un valor inferior a la temperatura de proceso. Para temperaturas muy altas (mayores que 538°C (1000°F)), este es un método seguro y confiable de confinar el fluido de proceso caliente. Para temperaturas menores, algunas veces es económico o técnicamente deseable utilizar revestimiento de aislamiento interno. Este tipo de revestimiento se puede utilizar también para reducir la corrosión de la pared al disminuir su temperatura. La temperatura de diseño del metal para recipientes aislados internamente se establece normalmente en 343°C (650°F). El aislante interno reduce la temperatura de pared a valores aproximadamente entre 121°C (250°F) y 204°C (400°F), dependiendo de la temperatura del proceso, de la condiciones ambientales y del aislamiento. Sin embargo, pueden existir “puntos calientes” causados por el flujo de gases calientes a través ...