Softwares especializados para diseño y simulación en la implementación de bibliotecas de recipientes a presión

Resumen

Los software profesionales actuales de diseño y
simulación poseen bibliotecas estandarizadas de piezas,
que incluyen normas internacionales de múltiples
países. Sin embargo, en estas bibliotecas es escasa la
inclusión de partes y accesorios de recipientes a
presión. En el presente trabajo se valoran diferentes
softwares de diseño y simulación en cuanto a las
potencialidades actuales de sus bibliotecas respecto al
diseño de partes y accesorios de recipientes a
presión, se valoran las potencialidades de sus
herramientas para el diseño de las mismas y su
inclusión en bibliotecas estandarizadas acorde a los
códigos internacionales. Respecto a ello, también
se incluyen criterios sobre las potencialidades de los
códigos fundamentales reconocidos para el diseño de
recipientes a p resión para el desarrollo de bibliotecas
digitales, tal que permitan el rápido diseño y
evaluación de recipientes a presión nuevos o en
explotación.

Palabras Claves:

Diseño automatizado, simulación,
recipientes a presión, calderas, soldadura

Criteria about the use of specialized
softwares for design and simulation in the implementation of
pressure vessels libraries

INTRODUCCIÓN

La literatura especializada [1] refiere varias normas y
códigos para el cálculo, diseño y
construcción de tanques para el almacenaje de
líquidos (agua, combustibles, etc.). Las normas más
difundidas y empleadas en las industrias de procesos son las del
Instituto Americano del Petróleo (American Petroleum
Institute, API, de sus siglas en inglés). Dentro de
los estándares aplicables, se encuentran los
siguientes:

API Standard 620: aplicable a grandes tanques
horizontales o verticales soldados en el campo, aéreos que
operan a presiones en el espacio vapor menores a 0,175 kg/cm2
(2,5 psi) y a temperaturas no superiores a 93 °C.

API Standard 650: aplicable a grandes tanques
horizontales o verticales soldados en el campo, aéreos que
operan a presiones en el espacio vapor menores a 0,105 kg/cm2
(1,5 psi) y a temperaturas no superiores a 121 °C.

API Specification 12D: aplicable a tanques
horizontales o verticales soldados en el campo para almacenaje de
líquidos de producción y con capacidades
estandarizadas entre 75 y 1500 m3.

API Specification 12F: aplicable a tanques
horizontales o verticales soldados en taller para almacenaje de
líquidos de producción y con capacidades
estandarizadas entre 13,5 y 75 m3.

API Standard 653: aplicable a la
inspección, reparación, alteración,
desmontaje y reconstrucción de tanques horizontales o
verticales.

API Standard 650: Recomienda también la
aplicación de las técnicas de ensayos no
destructivos aplicables.

Estos estándares cubren el diseño,
fabricación, inspección, montaje, ensayos y
mantenimiento de los mismos y fueron desarrollados para el
almacenaje de productos de la industria petrolera y
petroquímica, pero su aceptación a sido aplicada al
almacenaje de numerosos productos en otras industrias. Si bien
estas normas cubren muchos aspectos, no todos están
contemplados, razón por la que existen otras normas
complementarias a las mismas.

Existen, además de los mencionados
estándares, otras normas que también son
aplicables, tanto a materiales constructivos metálicos,
como a no metálicos (plásticos, fibras de vidrio,
etc.) [1], dentro de las cuales pueden citarse a:

El Boiler and Pressure Vessel Code
(Edición 2001, secciones VIII y X), de la
American Standard Mechanical Engineering ASME, es
aplicable para el diseño de diferentes recipientes y
tanques, tanto cilíndricos, como esféricos y de
sección rectangular. Se trata de uno de los
estándares más reconocidos mundialmente en este
campo de aplicación.

El Underwriters Laboratories (UL),
con el Standard UL 142, es aplicable a tanques de acero
de diferentes diseños soldados en taller para almacenaje
de líquidos inflamables y combustibles.

El British Standard (BS) 2594 es aplicable a
tanques cilíndricos horizontales de acero al carbono
soldado.

El BS 4994 comprende las
especificaciones para el diseño y construcción de
recipientes y tanques en plásticos reforzados.

El BS 6374 comprende las
especificaciones para el recubrimiento de recipientes y tanques
con materiales poliméricos.

La ASTM D 3299/4021/4097 comprende las
especificaciones para tanques plásticos reforzados con
fibra de vidrio.

Independientemente de ello, son tres las
Normas y Códigos más difundidos y aceptados
internacionalmente para el cálculo, diseño y
construcción de recipientes a presión
[1]:

1. ASME, Boiler and Pressure Vessel
Code (Edith 2001)

Sección I. Calderas de potencia.

Sección II. Especificaciones de
materiales (base y de aporte). Sección III. Componentes de
plantas nucleares.

Sección IV. Calderas de
calefacción.

Sección V. Exámenes no
destructivos.

Sección VI. Reglas recomendadas para
el cuidado y operación de calderas de calefacción.
Sección VII. Reglas recomendadas para el cuidado de
calderas de potencia.

Sección VIII. Recipientes a
presión.

División 1 – Reglas para la
construcción de recipientes a presión.

División 2 – Reglas
alternativas para la construcción de recipientes a
presión. División 3 – Reglas alternativas
para recipientes de altas presiones.

Sección IX. Calificación de la
soldadura.

Sección X. Recipientes a presión de
plástico reforzado con fibra de vidrio.

Sección XI. Reglas para la inspección en
servicio del sistema de enfriamiento de reactores
nucleares.

2. British Standards Institution
(BSI)

BS 5500 – Specification for unfired
fusion welded pressure vessels.

BS 5169 – Specification for fusion welded
steel air receivers.

3. European Commitee for
Standarization (CEN)

EN 286: Part 1 – Specification for simple unfired
pressure vessels designed to contain air or nitrogen.

Todas estas normas y códigos han
sido, a su vez, reconocidos y aceptados, a partir del 1997, por
el National Board of Boilers and Pressure Vessels Inspectors
de USA.

Los estándares referidos especifican
los requerimientos para el diseño, construcción,
inspección, ensayos y verificación de cumplimiento
de los recipientes a presión; esto es, la
consideración de aspectos, tales como:

1. Selección de materiales,
propiedades y composición

2. Tamaños y capacidades
preferidos

3. Métodos de cálculo,
inspección y fabricación

4. Códigos de práctica para
la operación y seguridad de planta

5. Análisis y determinación
de cargas estáticas y dinámicas sobre los
equipos

6. Tensiones residuales, esfuerzo
térmico, fatiga de materiales, concentración de
tensiones

7. Mecanismos de desgaste, erosión,
corrosión, abrasión. tipos de
recubrimientos

8. Conexiones a tanques –
recipientes, de cañerías y válvulas,
etc.

Dentro de otros códigos se encuentran
Arbertsgemeinschaff Druckbehalter – Merkblatter y
el Code Francais de

Construction des Appareils de
Pression.

Existen varios software profesionales
desarrollados para el diseño de piezas y equipos
mecánicos, que permiten su interacción con otros
que complementan su estudio, como la simulación de
esfuerzos, temperaturas y la "predicción" de su
comportamiento bajo determinadas cargas.

Dentro de los softwares más conocidos y
aplicados en Cuba se encuentran el Mechanical Desktop,
el SolidWorks y el Inventor, aunque existen
otros como el CATIA. También existen
software como el KiSSsys y el
KISSsoft, entre otros, que permiten el diseño de
las partes y su exportación para los destinados al
diseño. Otros software están destinados
más específicamente a la simulación del
funcionamiento de las partes, los equipos y los procesos, como el
COSMOS Design Start y el ANSYS, aunque los
anteriormente mencionados vienen acompañados de funciones
para la simulación, aunque no con el alcance de los dos
últimos referidos.

Prácticamente todos los
softwares de diseño poseen bibliotecas
estandarizadas de componentes mecánicos, de acuerdo a
normas internacionales, dentro de las que se destacan las
bibliotecas de tornillos, tuercas, cojinetes, etc. Todos estos
softwares poseen actualizaciones sistemáticas de
sus herramientas y bibliotecas, los cuales los mantienen
competitivos en las aplicaciones actuales de la ingeniería
mecánica. Sin embargo, se le ha prestado poca
atención a las partes y piezas normadas de recipientes a
presión, encontrándose solo escasos ejemplos de
recipientes o partes, incluso, no normadas. Muchos de estos
softwares, solo muestra ejemplos, para que los
especialistas puedan percatarse del alcance en ese campo de la
herramienta en cuestión. En el caso del SolidWorks
2012 se incluye el ejemplo de una simulación de un
recipiente vertical.

Del estudio de los softwares referidos se
aprecia una carencia de estandarizaciones de partes y accesorios
de recipientes a presión acorde a los códigos
fundamentales, que permita su diseño y chequeo
rápido. Incluso, no se aprecia una posibilidad
relativamente sencilla de diseñar y simular un recipiente
en uso, considerando que proceso de diseño no
estereotipado es muy complejo. Debido a estos elementos
sería interesante evaluar la posibilidad de generar una
biblioteca de elementos estandarizados de partes y piezas de
recipientes a presión en alguno de los software
de diseño especializado, más empleados en
Cuba.

Como se aprecia, existen varios códigos y
normativas para el diseño, uso y reparación de
recipientes a presión (AWS, ASME, ASTM, API)
Algunas de sus versiones son digitales, pero no tienen
software especializado. También son conocidos
software profesionales para el diseño y la
simulación de elementos mecánicos disímiles
(Mechanical Desktop, Soliworks, Inventor, etc); sin
embargo, estos no incluyen dentro de sus bibliotecas elementos
estandarizados para recipientes a presión (tapas, apoyos,
orejas de izaje, nervaduras, registro, refuerzos,
etc.).

El Centro de Investigación de
Soldadura (CIS) de la Universidad Central "Marta Abreu" de Las
Villas (UCLV), presta servicios en la inspección y el
diagnóstico de recipientes a presión, así
como realiza estudios sobre la vida remanente y la posibilidad de
falla de recipientes a presión. Se han hecho estudios con
el Cosmos o el ANSYS para simulación,
pero sobre puntos específicos para el análisis
transciente del proceso de soldadura y las tensiones y
deformaciones que origina el ciclo térmico a que
está sometida la unión. Sin embargo, aún no
se han realizado pasos sustanciales al estudio integral de la
capacidad de trabajo por métodos computacionales, tal que
puedan incluir la pérdida de espesores o la
degeneración estructural de los materiales empleados en un
recipiente a presión específico. Se reconoce que, a
pesar de la experiencia acumulada en Cuba y en el mundo en
eventos y evaluaciones de recipientes a presión, el CIS no
cuenta con un software especializado, que permita
diseñar o evaluar, de forma expedita, recipientes a
presión (ó partes de ellos) nuevos o usados. Por
otra parte, los softwares especializados para el
diseño mecánico no incluyen, dentro sus bibliotecas
de piezas estandarizadas, a las partes y accesorios de
recipientes a presión, tal que permitan de forma eficiente
su diseño y evaluación bajo conclusiones de
simulación. Debido a todo lo anterior no se conoce la
forma de estereotipar las partes y accesorios para recipientes,
como parte funcional de las bibliotecas de software
especializado, ni un procedimiento de simulación que
considere los requisitos establecidos por las normas y
códigos internacionales para el diseño de
recipientes.

Tal como existen elementos mecánicos sencillos
estandarizados en las bibliotecas de software
especializados, pude igualmente incluirse partes y accesorios de
recipientes a presión, que permitan el diseño
eficiente de estos y su simulación en condiciones de
servicio. De aquí que una biblioteca estandarizada de
partes para recipientes a presión como parte del
software especializado para diseño y
simulación de equipos mecánicos puede constituir
una novedad en el campo del diseño y la evaluación
de recipientes a presión.

Como objetivos del presente trabajo se persigue
describir las diferencias fundamentales entre las principales
normas destacadas al diseño de recipientes a
presión, así como partes y accesorios que regulan,
de forma tal que permita seleccionar una norma para la
regulación del diseño estandarizado de partes y
piezas para recipientes a presión, además de
describir las ventajas y desventajas entre los softwares
fundamentales destinadas al diseño mecánico, tal
que permita seleccionar el más adecuado para el
diseño de una biblioteca de partes y accesorios para
recipientes a presión.

DESARROLLO:

1. Principales
normas para el diseño de recipientes de
presión.

1.1. Normas y códigos fundamentales
para el diseño de recipientes a presión.
Particularidades.

La Norma de calidad ISO es uno de los tres
estándares internacionales relacionados con los
requerimientos de calidad, los cuales pueden ser utilizados para
propósitos de aseguramiento de calidad establecidos por
los tres estándares internacionales mencionados [2]: A.
Modelo de aseguramiento de calidad en diseño, desarrollo,
producción, instalación y servicio. Para usarse
cuando la conformidad de requerimientos especificados debe ser
asegurada por el proveedor durante el diseño, desarrollo,
producción, instalación y servicio; B. ISO 9001.
Sistema de calidad – para usarse cuando la conformidad de
requerimiento especificado debe ser asegurada por el proveedor
durante la producción, instalación y servicio; C.
ISO 9002. Sistema de calidad – modelo para aseguramiento de
calidad en producción, instalación y servicio, y D.
ISO 9003. Sistema de calidad – modelo para aseguramiento de
calidad en prueba de inspección final.

Dentro de los códigos internacionales para el
diseño de recipientes a presión se encuentran [2]:
American Welding Society (A.W.S), American
Institute of Steel Construction (A.I.S.C.),
American National Standars Institute
(A.N.S.I.), American Society of Mechanical Engineers
(A.S.M.E.), American Society for Testing and Materials
(A.S.T.M.).

El código de la Sociedad Americana de Soldadura
(A.W.S.) proporciona la información fundamental
de soldadura, diseño de soldadura, calificación,
pruebas e inspección de soldaduras, así como una
Guía de la aplicación y uso de la soldadura. El
código del Instituto Americano de la Construcción
de Acero A.I.S.C., proporciona una guía y
código para maximizar la eficiencia del
diseño de acero estructural y seguridad. Además, el
código A.I.S.C. contiene ecuaciones
de diseño, criterios de diseño y ejemplos de
diseños prácticos para acero estructural. Su uso es
recomendado para el diseño de edificios, puentes o
cualquier estructura de acero, incluyendo aquellas que sirvan
como soportes rígidos de tubería. Por otra parte,
el Instituto Nacional de Normas Americanas (A.N.S.I.),
clasifica la aplicación del sistema de tuberías,
bridas, pernos, roscas, válvulas.

La sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos
(A.S.M.E.) recomienda el código para calderas y
recipientes a presión, así como el estándar
para su construcción y el código de
inspección. La Sociedad Americana de Ensayo de

Materiales (A.S.T.M.) establece los
estándares de la característica y eficiencia de los
materiales, productos, suministros de servicios relacionados con
los materiales.

Existen varios países más que trabajan con
diferentes códigos tales como Alemania (Occidental A.
D. Merkblatt Code), Italia
(Italian PressureVessel Code), Japón
(Japanesse Pressure Vessel Code y el Japanesse Std.
Pressure Vessel
Construction).

El código ASME regula los materiales, el
diseño, la fabricación y la inspección de
recipientes a presión. La soldadura de tuberías
presurizadas en estaciones de energía térmica y
nuclear, refinerías, plantas químicas, barcos,
etc., se realiza de acuerdo con ASME. Las
tuberías de transmisión y distribución, que
por su parte, trasladan gases o derivados del petróleo, se
sueldan utilizando técnicas y procedimientos especiales
gobernados por API Standard
1104, la que generalmente coinciden con los
términos de la Sección B31.8 de
ASME.

Existen dos códigos principales para la soldadura
de tanques de almacenaje, AWS D5.2 y API Standard 650.
Esta última norma cubre los requerimientos de materiales,
diseño, fabricación, erección y ensayo de
los tanques cilíndricos verticales de acero soldados, no
sometidos a presión interna. Ambos códigos hacen
referencia a la Sección IX del Código ASME
para la calificación de la soldadura [3].

La Sección VIII del Código
A.S.M.E., contiene dos Divisiones, la
División 1, que cubre el diseño de los
recipientes a presión no sujetos a fuego directo y la
División 2, que contiene otras alternativas para el
cálculo de recipientes a
presión.

Las reglas de la División 1, de la
Sección VIII del Código
A.S.M.E., cubren los requisitos mínimos para
el diseño, fabricación, inspección y
certificación de recipientes a presión,
además de aquellas que están cubiertas por la
Sección I [4].

1.2. Selección de la norma para el
diseño estandarizado de recipientes.

En el código ASME (ASME Boiler and Pressure
Vessel Code), la sección VIII y la sección X
(Recipientes a presión de plástico reforzado en
fibra de vidrio), están destinadas al diseño de
recipientes a presión. Este código establece los
requerimientos mínimos para el diseño,
fabricación e inspección de recipientes a
presión, el cual es empleado en varios países como
Estados Unidos, México, etc. y ampliamente utilizado a
nivel mundial. Este código surgió desde el
año 1913, cuando el comité editó el primer
reporte preliminar de 2000 de él a los profesores de Ing.
Mecánica a departamentos de Ingeniería
de compañías de seguros y calderas, a jefes de
inspectores de los departamentos de inspección de calderas
de Estados y Ciudades, a fabricantes de calderas, a editores de
revistas de Ingeniería y a todos los interesados en la
construcción y operación de calderas, pidiendo sus
comentarios [4], pero, en verdad el primer código
A.S.M.E., "Reglas para la Construcción de
Calderas Estacionarias" y para las Presiones Permisibles de
Trabajo fue adoptado en 1925, conocido como la edición
1914 [4]; desde entonces le han adicionando varias aplicaciones,
tales como tuberías, reactores nucleares, tanques y
recipientes de almacenaje, los cuales son actualizados
periódicamente. Existen muchas coincidencias de otras
normas y las referencias de las mismas a este código,
dando a entender la importancia que tiene este código para
el diseño de recipientes a presión. La Norma
internacionalmente más reconocida y de uso más
común, es la Sección VIII Div.1 "Pressure
Vessels" del Código ASME (American Society of
Mechanical Engineers). Esta Norma, cubre el diseño,
la selección de materiales, la fabricación, la
inspección, las pruebas, los criterios de
aprobación y la documentación resultante de las
distintas etapas a cumplir [5]. A la cual se le prestará
más atención en el presente trabajo, la misma
está dividida en las siguientes subsecciones y partes [2]:
Subsección A. Parte UG, que cubre los requerimientos
generales; Subsección B, que cubre los Requerimientos de
fabricación; Parte UW, que cubre los recipientes que
serán fabricados por soldadura; Parte UF, recipientes que
serán fabricados por forjado; Parte UB, que cubre los
recipientes que serán fabricados utilizando un material de
relleno no ferroso a este proceso se le denomina "brazing" ;
Subsección C, que cubre los requerimientos de materiales;
Parte UCS, para recipientes construidos con acero al
carbón y de baja aleación; Parte UNF, para los
recipientes construidos con materiales no ferrosos; Parte UCI,
para los recipientes construidos con fierro fundido; Parte UCL,
para los recipientes construidos con una placa "clad"
integral o con recubrimiento tipo "lining"; Parte UCD,
para los recipientes construidos con fierro fundido
dúctil; Parte UNT, para los recipientes construidos con
aceros ferríticos con propiedades de tensión
mejoradas por tratamiento térmico; Parte ULW, para los
recipientes fabricados por el método de multicapas; Parte
ULT, para los recipientes construidos con materiales con
esfuerzos permisibles más altos a bajas
temperaturas.

2. Partes y
accesorios fundamentales de recipientes de
presión.

Tanto los recipientes cilíndricos, como
esféricos están compuestos por un cuerpo y un
conjunto de partes o accesorios: paños y tapas (en cuerpo
cilíndricos) u hojuelas y casquetes (en cuerpo
esféricos), apoyos, orejas de izaje, tubos y refuerzos,
bridas, registros, etc.

2.1. Tipos de tapas de recipientes
horizontales bajo presión interna.

Los recipientes sometidos a presión pueden estar
construidos por diferentes tipos de tapas o cabezas. Cada una de
estas es más recomendable a ciertas condiciones de
operación y costo monetario [2].

Las tapas planas se utilizan para recipientes sujetos a
presión atmosférica, generalmente, aunque en
algunos casos se usan también en recipientes a
presión. Su costo entre las tapas es el más bajo.
Se utilizan también como fondos de tanques de
almacenamiento de grandes dimensiones. Las tapas planas con ceja,
al igual que las anteriores, se utilizan generalmente para
presiones atmosféricas, su costo también es
relativamente bajo, y tienen un límite dimensional
de 6 metros de diámetro máximo. Las
tapas 80:10 poseen un radio de abombado es el 80 % de
diámetro y el radio de esquina o de nudillos es igual al
10 % del diámetro. Estas tapas las utilizamos como
equivalentes a la semielíptica

2:1. Las tapas semiesféricas son utilizadas
exclusivamente para soportar presiones críticas y, como su
nombre lo indica, su silueta describe una media circunferencia
perfecta; su costo es alto y no hay límite dimensional
para su fabricación. Las tapas semielípticas son
empleadas cuando el espesor calculado de una tapa
toriesférica es relativamente alto, ya que
las tapas semielípticas soportan mayores presiones que las
toriesféricas. El proceso de
fabricación de estas tapas es troquelado, su silueta
describe una elipse relación 2:1 y su costo es
relativamente alto. Las tapas toriesféricas son las de
mayor aceptación en la industria, debido a su bajo costo y
a que soportan grandes presiones manométricas, su
característica principal es que el radio del abombado es
aproximadamente igual al diámetro. Se pueden fabricar en
diámetros desde 0,3 hasta 6 m (11,8" – 236,22"). Las tapas
cónicas se utilizan generalmente en fondos donde pudiese
haber acumulación de sólidos y como transiciones en
cambios de diámetro de recipientes cilíndricos. Su
uso es muy común en torres fraccionadoras o de
destilación, no hay límites en cuanto a dimensiones
para su fabricación y su única limitación
consiste en que el ángulo de vértice no
deberá de ser calculado como tapa plana. Las tapas
toricónicas, a diferencia de las tapas cónicas,
este tipo de tapas tienen en su diámetro, mayor radio de
transición que no deberá ser menor al 6 % del
diámetro mayor ó 3 veces el espesor. Las tapas
abombadas con ceja invertida poseen un uso limitado debido a su
difícil fabricación, por lo que su costo es alto,
siendo empleadas solamente en casos especiales. Las tapas
únicamente abombadas son empleadas en recipientes a
presión manométrica relativamente baja, su costo
puede considerarse bajo, sin embargo, si se usan para
soportar presiones relativamente altas, será
necesario analizar la concentración de esfuerzos generada,
al efectuar un cambio brusco de dirección.

2.2. Boquillas en recipientes a
presión.

Todos los recipientes a presión
deberán estar provistos de boquillas y conexiones de
entrada y salida del producto, válvula de seguridad,
entrada de hombre, venteo, etc. Algunas de las boquillas, que se
deben instalar en los recipientes a presión [4], se
mencionan a continuación: Entrada (s) de producto; Salida
(s) de producto; Drene. Venteo; Entrada (s) de hombre;
Conexión para válvula de seguridad; Conexión
para manómetro. Conexión para termómetro
(termopozo); Conexiones para indicadores de nivel; Conexiones
para control de nivel, etc.

De acuerdo con el tipo de recipiente a presión
que se diseñe, éste puede tener una o varias
boquillas de las antes mencionadas. Los diagramas de
tubería e instrumentación indican cuantas
boquillas, de qué diámetro y para qué
servicio deben instalarse en dichos recipientes.

Todas las placas de refuerzo de boquillas de 304,8 mm
(12") de diámetro y menores, deberán llevar un
barreno de prueba de 0,25 mm (1/4") de diámetro con cuerda
NPT, las placas de refuerzo de boquillas de 355,6 mm (14") de
diámetro y mayores, deberán tener dos barrenos de
prueba.

Para instalar una boquilla, en un recipiente a
presión, es necesario hacer un agujero en el cuerpo o tapa
en que se vaya a instalar. Al efectuar este agujero se
está "quitando área" y las líneas de
esfuerzos, que pasaban por el área que se retira,
pasarán tangentes al agujero practicado.

Por ello, en concordancia con el Código A.S.M.E.,
Sección VIII División 1, todas las boquillas
mayores de 72,6 mm (3") de diámetro, instaladas en
recipientes a presión, deberán tener una placa de
refuerzo en la unión del cuello de la boquilla con el
recipiente. En algunos países, como en México, se
ha hecho una costumbre reforzar también las boquillas de
72,6 mm (3"), lo cual es aconsejable.

Los espesores de los cuellos de las boquillas
(cédulas) deberán ser determinados [4] en base a
los siguientes indicadores:

a) Presión interna.

b) Tolerancia por corrosión.

c) Fuerzas y momentos debidos a dilataciones
térmicas en tuberías, fuerzas transmitidas por
otros equipos y acciones debidas al peso propio de las
tuberías.

d) Presión interna: Generalmente el espesor del
cuello de una boquilla, calculado para soportar presión
interna, resulta muy pequeño debido al diámetro tan
reducido que ellas tienen en comparación con el
diámetro del recipiente.

e) Tolerancia por corrosión: La corrosión
es uno de los factores decisivos para seleccionar las
cédulas de los cuellos de las boquillas, ya
que los espesores de los cuellos de tubos de diámetro
pequeño son muy reducidos y únicamente la
corrosión puede acabar con ellos.

f) Es muy importante, al diseñar recipientes a
presión, analizar los arreglos de tuberías para
hacer recomendaciones a los responsables de este departamento
respecto a que las tuberías no deberán transmitir
grandes fuerzas y momentos a nuestros recipientes.

Cuando se trabaja con líneas de tuberías
relativamente grandes en diámetro y que éstas
manejan fluidos a altas temperaturas, debe recomendarse al
departamento de tuberías hacer un estudio de
análisis de esfuerzos en las líneas críticas
a fin de minimizar las cargas y los momentos en las boquillas de
los recipientes. Este análisis de esfuerzos incluye la
selección y localización adecuada de soportes para
las tuberías.

Resulta importante consultar las cédulas
recomendadas en los cuellos de las boquillas, en función
del diámetro, corrosión y presiones, las
proyecciones más comunes de las boquillas de acuerdo a su
diámetro y las dimensiones más comunes o
estándar de las bridas más usadas [4].

Al seleccionar las bridas para boquillas, se recomienda
que las boquillas de 31,75 mm (1¼") de diámetro y
de dimensiones menores sean instaladas por medio de acoplamientos
roscados para presiones entre 210,92 y 421,842 kg/cm2 (3000-6000
Psi). Las boquillas de 38,1 mm (1½") y de dimensiones
mayores deberán ser bridadas [4].

De acuerdo a la forma de unir las bridas a los cuellos
de las boquillas, existen los siguientes tipos de bridas: Brida
de cuello soldable (Welding Neck); Brida
deslizable (Slip-On);

1. Brida de traslape
(lap-Joint).

2. Bridas roscadas
(Threaded).

3. Bridas de enchufe soldable (Socket
Welding).

4. Bridas de orificio
(Orifice).

5. Bridas ciegas
(Blind).

6. Bridas especiales
(Special).

Las bridas de cuello soldado (welding neck) se
distinguen de las demás por su cono largo y por su cambio
gradual de espesor en la región de la soldadura que las
une al tubo. El cono largo suministra un refuerzo importante a la
brida desde el punto de vista de resistencia. La ligera
transición desde el espesor de la brida hasta el espesor
de la pared del tubo, efectuada por el cono de la brida, es
extremadamente benéfico bajo los efectos de flexión
repetida, causada por la expansión de la línea u
otras fuerzas variables y produce una resistencia de
duración equivalente a la de una unión soldada
entre tubos.

Por lo anterior, este tipo de brida se prefiere para
todas las condiciones severas de trabajo, ya sea que resulte de
altas presiones o de temperaturas elevadas o menores de cero, ya
sea también para condiciones de carga que sean
sustancialmente constantes o que fluctúen entre
límites amplios. Las bridas de cuello soldado se
recomiendan para el manejo de fluidos explosivos, inflamables o
costosos, donde una falla puede ser acompañada de
desastrosas consecuencias.

Las bridas deslizables (slip-on) se prefieren
sobre las de cuello soldado, debido a su costo más bajo, a
la menor precisión requerida al cortar los tubos a la
medida, a la mayor facilidad de alineamiento en el ensamble, ya
que su costo de instalación final es menor que las bridas
de cuello soldado. Su resistencia calculada bajo presión
interna, es del orden de 2/3 de las anteriores y su vida bajo
condiciones de fatiga es aproximadamente 1/3 de las
últimas.

Por estas razones, las bridas deslizables en presiones
de 105,46 kg/cm2 (1,5000 libras/pulgada2) existen solamente en
diámetros de 12,7 mm (½") a 63,5 mm (2½"), y
no existen para soportar presiones de 175,76 kg/cm2 (2,500
libras/pulgada2). El manual de construcción de calderas
A.S.M.E, limita su uso a 101,6 mm (4") de
diámetro.

Las bridas de traslape (lap-joint) generalmente
se instalan en tuberías de acero inoxidable o aleaciones
especiales. Siempre que se utilice este tipo de brida, debe
acompañase de un extremo adaptador (stub-end).
También se emplea este tipo de bridas
traslapadas cuando las tuberías no son paralelas a los
ejes de los recipientes.

Las bridas roscadas (threaded) se usan para
unir tuberías difíciles de soldar, como aluminio,
PVC, etc.; se recomienda usarlas en diámetros menores de
152,4 mm (6"). Las bridas roscadas son inconvenientes para
condiciones que involucren temperaturas o esfuerzos de
flexión de cualquier magnitud, particularmente bajo
condiciones cíclicas donde puede haber fugas a
través de las cuerdas en pocos ciclos de esfuerzos o
calentamiento. Las bridas de enchufe (socket welding)
soldadas se emplean generalmente cuando se manejan fluidos
tóxicos, altamente explosivos, muy corrosivos o aquellos
que al existir fugas provocarían gran riesgo; tamb
ién es recomendable usarlas en tuberías que
trabajan a muy altas presiones.

Las bridas ciegas (blind) se usan para cerrar
los extremos de boquillas, tuberías y válvulas.
Desde el punto de vista de presión interna y fuerzas
ejercidas sobre los pernos, estas bridas, principalmente en
tamaños grandes, son las que están sujetas a
esfuerzos mayores. Al instalar las bridas ciegas debe tomarse en
consideración la temperatura y el golpe de ariete, si
existiera.

3. Software para
el diseño mecánico. Bibliotecas.

3.1. Softwares fundamentales para
el diseño. Características.

Existen diversos tipos de software para el diseño
mecánico, dentro de los cuales se encuentran el
SolidWorks, Inventor,
CATIA, Mechanical DeskTop, entre
otros.

El software de automatización de
diseño mecánico de SolidWorks es muy
intuitivo, fácil de aprender y potente. Además
existen muchos programas adicionales que son compatibles con
él, como el COSMOS (Análisis por elementos
finitos), ADAMS (simulación de mecanismos),
TASYS (análisis de tolerancias),
GEARTRAX (diseño de engranajes), etc.
[6].

El SolidWorks es una herramienta de
diseño de modelado sólido paramétrico basada
en operaciones, que aprovechan la facilidad de aprendizaje de la
interfaz gráfica de usuario de Windows™. Puede crear
modelos sólidos en 3D totalmente asociativos con o sin
restricciones, mientras utiliza al mismo tiempo las relaciones
automáticas o definidas por el usuario para capturar la
intención del diseño.

Del mismo modo que un ensamblaje está compuesto
por una serie de piezas individuales, un modelo de
SolidWorks también está
compuesto por elementos individuales. Dichos elementos se
denominan operaciones.

Cuando se crea un modelo mediante el software
de SolidWorks, se trabaja con operaciones
geométricas inteligentes y fáciles de entender,
como salientes, cortes, taladros, nervios, redondeos, chaflanes y
ángulos de salida. A medida que se crean estas
operaciones, las mismas se aplican directamente a la pieza con la
que está trabajando.

En el trabajo con el SolidWorks las operaciones se
pueden clasificar como croquizadas o aplicadas:

Son operaciones croquizadas las que se basan en un
croquis en 2D. Generalmente, ese croquis se transforma en un
sólido mediante extrusión, rotación, barrido
o recubrimiento.

Son operaciones aplicadas las que se crean directamente
en el modelo sólido. Los redondeos y los chaflanes son
ejemplos de este tipo de operación.

El software de SolidWorks muestra
gráficamente la estructura basada en operaciones del
modelo en una ventana especial denominada Gestor de diseño
del Feature Manager®. El gestor de diseño del
Feature Manager no sólo muestra la secuencia en
la que se han creado las operaciones, sino que también le
facilita el acceso a toda la información relacionada
subyacente.

La facilidad de uso de SolidWorks [7] combinada
con la precisión y gran variedad de herramientas de
análisis de elemento finito, hacen de SolidWorks
Simulation, la herramienta más fácil de
implementar y generar resultados en muy corto
plazo.

SolidWorks Simulation, ayuda a predecir y
prevenir posibles fallas en el funcionamiento de algún
producto. Gracias a la simulación (análisis CAE),
múltiples empresas pueden tomar decisiones antes de
fabricar algún prototipo o producto, ya que SolidWorks
Simulation provee de diversas herramientas para poder
experimentar condiciones reales. Permite innovar, incrementar el
desempeño o funcionamiento de productos, reduciendo
drásticamente tiempos y costos de los procesos de pruebas.
El mismo está validado por NAFEM (New
National Agency for FEM). Organismo que certifica la certeza
de funcionalidad de herramientas CAE. Incluso
SolidWorks Simulation realiza benchmarks con
problemas de NAFEM.

Básicamente, SolidWorks Simulation ofrece
alternativas que se ajustan acorde a las necesidades de su
empresa. SolidWorks Simulation Professional, contiene
las herramientas más importantes para realizar diversos
tipos de pruebas para materiales lineales, tales como
análisis térmicos, frecuencia, vibración,
pandeo, fatiga, caída libre, optimización y
análisis dinámico por eventos. Obteniendo diversos
resultados a través de gráficos, valores puntuales,
pruebas DOE (diseño de experimentos) etc.

SolidWorks Simulation Premium, uno de los
más completos y sofisticados paquetes de análisis
de elementos finitos (FEA) disponibles en el
mercado, ofrece total integración con el software CAD de
SolidWorks.

Por otras parte [8], el software de CAD en 3D,
Autodesk® Inventor®, ofrece una gama completa y flexible
de programas para diseño mecánico en 3D,
simulación de productos, creación de herramientas,
ingeniería a la carta y comunicación de
diseños. Inventor más allá de la tercera
dimensión, permite la obtención de prototipos
digitales, ya que produce un modelo 3D de gran precisión,
que ayuda a diseñar, visualizar y simular los productos
antes de ser construidos. La creación de prototipos
digitales con Inventor contribuye a que las
compañías puedan diseñar mejores productos,
reducir los costos de desarrollo y llegar al mercado más
rápido.

Con el uso del Inventor se puede combinar los
flujos de trabajo de modelado directo y paramétrico
(Diseño mecánico 3D), integrar datos de AutoCAD y
3D en un solo modelo digital de manera segura (Interoperabilidad
con DWG), comprobar la viabilidad de fabricación de su
diseño (Diseño de ensamblajes grandes, piezas
plásticas y chapas), mejorar la colaboración con
socios y clientes (Visualización del diseño y
documentación de manufactura), mejora la productividad al
automatizar flujos de trabajo repetitivos del diseño
(Automatización del diseño), simula y optimiza
diseños digitalmente de forma sencilla (Simulación
integrada y análisis de elementos finitos (FEA)),
simplifica el diseño de sistemas eléctricos y
conductos complejos de tubos y tuberías (Diseño de
sistemas enrutadores) y permite diseñar, analizar, y
fabricar piezas de alta calidad moldeadas en plástico
(Herramientas y diseño de moldes).

A su vez, el CATIA es un software
asistido por computadora en tres dimensiones para aplicaciones
interactivas. Es un programa informático de diseño,
fabricación e ingeniería asistida por computadora
comercial realizado por Dassault
Systèmes.

Comúnmente conocido como 3D Product Lifecycle
Management Software Suite, soporta múltiples etapas
de desarrollo de productos (CAx), desde la
conceptualización, el diseño (CAD),
manufactura (CAM) e ingeniería (CAE).
Este producto fue inicialmente desarrollado para servir en la
industria aeronáutica. Se ha hecho un gran hincapié
en el manejo de superficies complejas.

El CATIA es ampliamente usado en la industria
del automóvil para el diseño y desarrollo de
componentes de carrocería, concretamente, para empresas
como el Grupo VW (Volkswagen, Audi,
SEAT y Škoda), BMW,
Renault, Peugeot, Daimler
AG, Chrysler, Smart y Porsche
hacen un amplio uso del programa.

La industria de la construcción también ha
incorporado el uso del software para desarrollar
edificios de gran complejidad formal; el museo de la
fundación Guggenheim en Bilbao, España, es
un hito arquitectónico que ejemplifica el uso de esta
tecnología [8].

3.2. Softwares fundamentales para
el diseño. Ventajas y desventajas.