- Consideraciones generales y
criterios - Normas de
diseño - Cargas de
diseño - Efectos de la expansión
y/o construcción - Presión de
diseño - Temperatura de
diseño - Espesor de
pared - Flexibilidad en sistemas de
tuberías - Análisis de
flexibilidad en sistemas de tuberías - Fundamentos relacionados con el
análisis de flexibilidad - Consideraciones en el
diseño del sistema de flexibilidad - Consideraciones sobre
arreglos de tuberías - Consideraciones sobre
disposición general - Consideraciones de arreglo
para facilitar apoyo y la sujeción - Diseño de soportes
para tuberías - Definición de
términos básicos - Referencias
bibliográficas
Diseño de
Tuberías
Consideraciones generales y criterios de
diseño
El diseño de un sistema de
tuberías consiste en el diseño de sus
tuberías, brida y su tortillería, empacaduras,
válvulas,
accesorios, filtros, trampas de vapor juntas de expansión.
También incluye el diseño de los elementos de
soporte, tales como zapatas, resortes y colgantes, pero no
incluye el de estructuras
para fijar los soportes, tales como fundaciones, armaduras o
pórticos de acero.
Aun en el caso en que los soportes sean diseñados
por un ingeniero estructural, el diseñador mecánico
de la tubería debe conocer el diseño de los mismos,
por la interacción directa entre tuberías y
soportes.
Procedimiento de diseño de
tuberías
La lista siguiente muestra los pasos
que deben completarse en el diseño mecánico de
cualquier sistema de tuberías:
- Establecimiento de las condiciones de diseño
incluyendo presión,
temperaturas y otras condiciones, tales como la velocidad
del viento, movimientos sísmicos, choques de fluido,
gradientes térmicos y número de ciclos de varias
cargas. - Determinación del diámetro de la
tubería, el cual depende fundamentalmente de las
condiciones del proceso, es
decir, del caudal, la velocidad y la presión del
fluido. - Selección de los materiales
de la tubería con base en corrosión, fragilización y
resistencia. - Selección de las clases de "rating" de bridas
y válvulas. - Cálculo del espesor mínimo de pared
(Schedule) para las temperaturas y presiones de diseño,
de manera que la tubería sea capaz de soportar los
esfuerzos tangenciales producidos por la presión del
fluido. - Establecimiento de una configuración aceptable
de soportes para el sistema de tuberías. - Análisis de esfuerzos por flexibilidad para
verificar que los esfuerzos producidos en la tubería por
los distintos tipos de carga estén dentro de los valores
admisibles, a objeto de comprobar que las cargas sobre los
equipos no sobrepasen los valores
límites, satisfaciendo así los
criterios del código a emplear.
Si el sistema no posee suficiente flexibilidad y/o no es
capaz de resistir las cargas sometidas (efectos de la gravedad) o
las cargas ocasionales (sismos y
vientos), se dispone de los siguientes recursos:
- Reubicación de soportes
- Modificación del tipo de soporte en puntos
específicos - Utilización de soportes flexibles
- Modificación parcial del recorrido de la
línea en zonas específicas - Utilización de lazos de
expansión - Presentado en frío
El análisis de flexibilidad tiene por objeto
verificar que los esfuerzos en la tubería, los esfuerzos
en componentes locales del sistema y las fuerzas y momentos en
los puntos terminales, estén dentro de límites
aceptables, en todas las fases de operación normal y
anormal, durante toda la vida de la planta.
Las normas más
utilizadas en el análisis de
sistemas de tuberías son las normas conjuntas del
American Estándar Institute y la American Society of
Mechanical Engineers ANSI/ASME B31.1, B31.3, etc. Cada uno de
estos códigos recoge la experiencia de numerosas empresas
especializadas, investigadores, ingenieros de proyectos e
ingenieros de campo en áreas de aplicación
específicas, a saber:
- B31.1. (1989) Power Piping
- B31.3 (1990) Chemical Plant and Petroleum Refinery
Piping - B31.4 (1989) Liquid Transportation System for
Hydrocarbons, Petroleum Gas, Andhydroys
Anmonia and Alcohols - B31.5 (1987) Refrigeration Piping
- B31.8 (1989) Gas Transmisión and Distribution
Piping System - B31.9 (1988) Building Services Piping
- B31.11 (1986) Slurry Transportation Piping
System
En lo que concierne al diseño todas las normas
son muy parecidas, existiendo algunas discrepancias con
relación a las condiciones de diseño, al cálculo de
los esfuerzos y a los factores admisibles
Cargas de diseño para
tuberías
Un sistema de tuberías constituye una estructura
especial irregular y ciertos esfuerzos pueden ser introducidos
inicialmente durante la fase de construcción y montaje. También
ocurren esfuerzos debido a circunstancias operacionales. A
continuación se resumen las posibles cargas típicas
que deben considerarse en el diseño de
tuberías.
Cargas por la presión de
diseño
Es la carga debido a la presión en la
condición más severa, interna o externa a la
temperatura
coincidente con esa condición durante la operación
normal.
Cargas por peso
- Peso muerto incluyendo tubería, accesorios,
aislamiento, etc. - Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de
proceso - Efectos locales debido a las reacciones en los
soportes
Cargas dinámicas
- Cargas por efecto del viento, ejercidas sobre el
sistema de tuberías expuesto al viento - Cargas sísmicas que deberán ser
consideradas para aquellos sistemas
ubicados en áreas con probabilidad de
movimientos sísmicos - Cargas por impacto u ondas de
presión, tales como los efectos del golpe de ariete,
caídas bruscas de presión o descarga de
fluidos - Vibraciones excesivas inducidas por pulsaciones de
presión, por variaciones en las características
del fluido, por resonancia causada por excitaciones de
maquinarias o del viento.
Este tipo de cargas no será considerado ya que
forman parte de análisis dinámicos y en este
proyecto
sólo se realizarán análisis
estáticos.
Efectos
de la expansión y/o contracción
térmica
- Cargas térmicas y de fricción inducidas
por la restricción al movimiento
de expansión térmica de la
tubería - Cargas inducidas por un gradiente térmico
severo o diferencia en las características de
expansión (diferentes materiales)
Efectos de los Soportes, Anclajes y Movimiento en los
Terminales
- Expansión térmica de los
equipos - Asentamiento de las fundaciones de los equipos y/o
soportes de las tuberías
Esfuerzos admisibles
Los esfuerzos admisibles se definen en términos
de las propiedades de resistencia mecánica del material, obtenidas en
ensayos de
tracción para diferentes niveles de temperatura y de un
factor de seguridad
global.
La norma ASME B31.3 estipula dos criterios para el
esfuerzo admisible. Uno es el llamado "esfuerzo básico
admisible" en tensión a la temperatura de diseño,
con la cual están familiarizados los que se dedican al
diseño de equipos sometidos a presión, es menos
conocido y se le denomina "rango de esfuerzo admisible", el cual
se deriva del esfuerzo básico admisible y se emplea como
base para el cálculo de la expansión térmica
y para el análisis de flexibilidad.
La aplicación de cada criterio es como se observa
en la tabla 1:
Tabla Nº 1:
Esfuerzos Admisibles en Función de
las Cargas
Para cargas | Esfuerzos |
Esfuerzos de pared circunferenciales producidos | S.E. |
Esfuerzos longitudinales combinados, producidos | S |
Fuente: Álvarez (2003)
Donde:
S = Esfuerzo básico admisible a la temperatura
de diseño, para el material seleccionado
E = Eficiencia de
la soldadura
longitudinal o factor de calidad de la
fundición asociada con el diseño
específico y los requerimientos de
inspección
Estos esfuerzos admisibles básicos, así
como el límite de fluencia y la resistencia a la
tracción, están listados en el Apéndice A,
Tabla A-1 y A-2, del Código B31.3 en función de la
temperatura. Por ejemplo, para el acero A-106-Grado B se tiene
que el límite de fluencia es, Sy = 35 KPsi
(241,317 MPa), y la resistencia a la tracción es
Su = 60 KPsi (413,685 MPa).
El esfuerzo admisible básico en función a
la temperatura es como se observa en la tabla 2:
Tabla Nº 2
Esfuerzos Admisibles en Función de la
Temperatura
Para ver la tabla seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Fuente: Álvarez (2003)
Los esfuerzos admisibles para cargas térmicas son
como se observan en la tabla 3:
Tabla Nº 3
Rango de Esfuerzo Admisible
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Fuente: Álvarez (2003)
Donde;
SA = f(1.25Sc +
0.25Sh)
SC = Esfuerzo básico admisible para
el material a la mínima temperatura esperada del metal
durante el ciclo de desplazamiento
Sh = Esfuerzo básico admisible para
el material a la máxima temperatura esperada del metal
durante el ciclo de desplazamiento
f = Factor de reducción del rango admisible de
esfuerzo para condiciones cíclicas según el
número total de ciclos completos de cambios de
temperatura sobre la vida esperada.
Este factor es 1.0 para 7000 ciclos o menos, lo cual es
un caso típico en refinerías.
Cuando Sh es mayor que s L, (esfuerzos
longitudinales combinados), la diferencia entre ellos debe
sumarse al término (0,25 Sh) por lo que la
expresión SA queda:
La presión de diseño no será menor
que la presión a las condiciones más severas de
presión y temperatura coincidentes, externa o
internamente, que se espere en operación
normal.
La condición más severa de presión
y temperatura coincidente, es aquella condición que
resulte en el mayor espesor requerido y en la
clasificación ("rating") más alta de los
componentes del sistema de tuberías.
Se debe excluir la pérdida involuntaria de
presión, externa o interna, que cause máxima
diferencia de presión.
La temperatura de diseño es la temperatura del
metal que representa la condición más severa de
presión y temperatura coincidentes. Los requisitos para
determinar la temperatura del metal de diseño para
tuberías son como sigue:
Para componentes de tubería con aislamiento
externo, la temperatura del metal para diseño será
la máxima temperatura de diseño del fluido
contenido.
Para componentes de tubería sin aislamiento
externo y sin revestimiento interno, con fluidos a temperaturas
de 32ºF (0ºC) y mayores, la temperatura del metal para
diseño será la máxima temperatura de
diseño del fluido reducida, según los porcentajes
de la tabla 4.
Tabla Nº 4
Reducción de Temperatura para Componentes sin
Aislamiento
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Fuente: Álvarez (2003)
Para temperaturas de fluidos menores de 32ºF
(0ºC), la temperatura del metal para el diseño,
será la temperatura de diseño del fluido
contenido.
Para tuberías aisladas internamente la
temperatura será especificada o será calculada
usando la temperatura ambiental máxima sin viento
(velocidad cero).
El mínimo espesor de pared para cualquier tubo
sometido a presión interna o externa es una función
de:
- El esfuerzo permisible para el material del
tubo - Presión de diseño
- Diámetro de diseño del tubo
- Diámetro de la corrosión y/o
erosión
Además, el espesor de pared de un tubo sometido a
presión externa es una función de la longitud del
tubo, pues ésta influye en la resistencia al colapso del
tubo. El mínimo espesor de pared de cualquier tubo debe
incluir la tolerancia
apropiada de fabricación.
Flexibilidad en sistemas de
tuberías
Consideraciones generales
Con el fin de introducir los conceptos e ideas
fundamentales que se manejan en el análisis de esfuerzos
en sistemas de tuberías, se tomará como punto de
partida un sistema sencillo como el mostrado en la figura
1.
Figura 1: Sistema de Tuberías
Simple
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Fuente: Álvarez (2003)
Sea p la presión interna del fluido en la
tubería y sea T la temperatura de diseño. Se
designará como Ta a la temperatura
ambiente.
Cuando el sistema entra en operación, la presión se
eleva hasta p y la temperatura cambia de
Ta a T, generándose esfuerzos en
el sistema. La presión interna p genera esfuerzos
tangenciales y longitudinales, mientras que el cambio de
temperatura s T
= T – Ta, genera esfuerzos longitudinales
de origen térmico tienen lugar debido a que la
tubería no puede expandirse (o contraerse) libremente a
consecuencia de encontrarse restringida en su desplazamiento a
causa de los soportes y de su conexión a los equipos que
conforman el sistema.
Si adicionalmente se considera el efecto del peso de la
tubería, así como el de su contenido se
tendrá también la presencia de esfuerzos
longitudinales y de corte análogos a los producidos por la
expansión térmica.
Todos estos estados de cargas deben considerarse en el
análisis de un sistema de tubería. Como regla
general, el esfuerzo más limitante y de mayor relevancia
es el de la expansión térmica.
Esfuerzos por Presión (Hoop)
La presión del fluido dentro de la tubería
produce un esfuerzo tangencial o circunferencial
s Lp que
ocasiona un aumento en el diámetro de la tubería, y
un esfuerzo longitudinal s Lp que produce un aumento en la
longitud de la misma.
Si el espesor t de la tubería es pequeño
comparado con el diámetro exterior D (D/t > 6),
puede suponerse que estos esfuerzos se distribuyen uniformemente
a lo largo del espesor.
Para determinar el esfuerzo tangencial
s p, se pasa
un plano longitudinal imaginario que divida a la tubería
en dos partes iguales. La figura 2 muestra el diagrama del
cuerpo libre.
Para ver el gráfico seleccione la
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Figura 2: Diagrama de cuerpo libre de
una tubería
Fuente: Álvarez (2003)
La fuerza
resultante de los esfuerzos tangencial s p debe estar en equilibrio con
la resultante de la presión interna p sobre la
mitad de la superficie de la tubería. Esto es:
2(s p . t¶ x) = p . D¶ x
De aquí se tiene que:
En los códigos B31.3 y B31.3 esta ecuación
es ajustada en dos sentidos:
Dado que en realidad s p no es uniforme a lo largo del
espesor, el valor dado por
la ec (7) puede tomarse como un valor promedio. Ahora bien,
¿qué diámetro debe tomarse?
Si se usa el diámetro interno d, se
tendría:
Si se usa el diámetro medio dm, se
obtendría:
Por último, si se usa el diámetro externo
se tendría como resultado la ec (9).
Los códigos establecen que el esfuerzo por
presión debe calcularse como:
Donde Y es un factor que depende de la temperatura de
diseño y del tipo de material. En la tabla 5 se muestra
este factor para diversas temperaturas. Observe que en un amplio
rango de temperaturas de diseño Y = 0.4, con lo cual la
ecuación recomendada se acerca a la deducida utilizando el
diámetro medio.
Tabla Nº 5
Factor Y para t < D/6
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Fuente: Álvarez (2003)
Para que la tubería no falle por
presión,
P < E . S
Donde Sp = ES, es el esfuerzo admisible por
presión, S es el esfuerzo admisible básico a la
temperatura de diseño y E es el llamado factor de calidad.
Este factor e se interpreta, según sea el caso, como un
factor de calidad de la función Ec para tuberías de
hierro fundido
o como un factor de calidad de la soldadura Ej, para
tuberías de acero con costuras. Estos factores de calidad
están tabulados en los códigos para diferentes
casos. Generalmente Ec = 0.80 y 0.60 < Ej < 1.0
Esfuerzos por cargas sostenidas
(Gravedad)
Los esfuerzos por cargas sostenidas son aquellos
esfuerzos longitudinales producidos por la presión, el
peso de la tubería, su contenido, el aislante y otras
cargas de gravedad tales como el peso de las válvulas,
bridas, filtros, etc.
Este esfuerzo puede expresarse como:
s L
= s LP +
s Lg
donde s
LP es el esfuerzo longitudinal debido a la presión
y s Lg es el
esfuerzo longitudinal debido a las cargas de gravedad.
Para evaluar s LP se pasa un plano imaginario
transversal y se hace un diagrama de cuerpo libre, como se
muestra en la figura 3.
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Figura 3: Esfuerzo por cargas
sostenidas
Fuente: Álvarez (2003)
Escribiendo la ecuación de equilibrio de fuerzas
en la dirección longitudinal se tiene:
(15)
de donde:
(16)
El código establece que debe usarse como espesor
t – tc- Luego
(17)
El peso de la tubería y de otras cargas
concentradas genera en cada sección transversal de la
tubería momentos flectores Mi y Mo
(figura 5)
En general, cuando una viga está sometida a
flexión pura por un momento flector M, los esfuerzos se
distribuyen de acuerdo con la ecuación
(18)
donde M es el momento flector, "y" es la distancia del
eje centroidal al punto donde se desea calcular el esfuerzo e I
es el momento de inercia de la sección transversal. El
esfuerzo máximo ocurre en el punto más alejado del
eje centroidal, esto es, en y = D/2.
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Figura 4: Momentos en conexiones
Fuente: Álvarez (2003)
Entonces,
(19)
O bien,
(20)
donde:
(21)
es el módulo de sección.
En este caso,
(22)
(23)
Luego,
(24)
Usando las ecuaciones
(17) y (24) se puede determinar el esfuerzo total longitudinal
por cargas sostenidas. El código B31.3 establece que este
esfuerzo viene dado por:
(25)
donde:
Mi = Momento flector en el
plano
M0 = Momento flector del
plano
ii = Factor de intensificación
de esfuerzos en el plano
i0 = Factor de intensificación
de esfuerzos fuera del plano
Zc = Módulo de sección
basado en t – tc, esto es:
(26)
Los factores de intensificación de esfuerzos se
observan en los anexos. Para que la tubería no falle
debido al efecto de las cargas sostenidas, debe cumplirse
que:
s L
< Sh (27)
Donde Sh es el esfuerzo admisible
básico a la temperatura de diseño.
Esfuerzos por cargas de
expansión
Cuando la temperatura del sistema se eleva desde la
temperatura ambiente hasta la temperatura de operación, la
tubería se expande. Debido a que no puede hacerlo
libremente por las restricciones impuestas por los equipos y
soportes, se dobla y se tuerce (figura 5), generándose
momentos flectores Mi y M0, así como
un momento torsor Mt en cada sección
transversal de la tubería.
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Figura 5: Esfuerzos por
Expansión
Fuente: Álvarez (2003)
Los momentos flectores Mi y Mo,
producen un esfuerzo máximo longitudinal,
(28)
mientras que el momento torsor Mt genera un
esfuerzo máximo de corte
(29)
Ambos esfuerzos se calculan utilizando el espesor
nominal. Para analizar la resistencia de la tubería sujeta
a este estado
combinado de cargas debe utilizarse una teoría
de fallas. El código B31.3 utiliza la Teoría del
Esfuerzo de Corte Máximo (Teoría de Tresca), la
cual establece que para que no se produzca una falla, el esfuerzo
de corte máximo real debe ser menor que el esfuerzo de
corte máximo en el ensayo de
tracción para un nivel determinado de carga.
Para determinar el esfuerzo de corte máximo en la
tubería se tienen que evaluar primero los esfuerzos
principales:
(30)
Entonces,
(31)
Para que el material no falle,
(32)
O bien:
(33)
donde s
E se denomina esfuerzo de expansión y
SA es el esfuerzo admisible de expansión, el
cual viene dado por:
SA = f(1,25Sc +
0,25Sh) (34)
donde:
Sc = Esfuerzo admisible del material de la
tubería en la condición fría del
apéndice del código ASME B31.3, Psi
Sh = Esfuerzo admisible del material de la
tubería en la condición caliente del
apéndice del código ASME B31.3, Psi.
f = Factor de reducción del rango de esfuerzo
admisible para el número total de ciclos de temperatura
durante la vida esperada.
Por vida esperada se entiende el total de años
durante el cual se presume que el sistema estará
operando.
Los códigos establecen que si el esfuerzo
longitudinal por cargas sostenidas es inferior al esfuerzo
admisible, es decir, si s L < Sh, entonces la
diferencia Sh – SL puede agregarse al
esfuerzo admisible SA. Luego
Tabla Nº 6
Factor f de Reducción por Cargas
Cíclicas
Para ver la tabla seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Fuente: Álvarez (2003)
(35)
Esto es:
(36)
Análisis de Flexibilidad en Sistemas de
Tuberías
Consideraciones Generales
Para determinar los efectos de expansión y esfuerzos en
un sistema de tuberías, es necesario conocer:
- Cuál código se aplica al sistema
- Las condiciones de presión y temperatura de
diseño - Las especificaciones del material
- El diámetro de tubería y el espesor de pared
de cada componente del sistema - El esquema del sistema incluyendo dimensiones y movimientos
térmicos en cualquier punto - Limitaciones de reacciones finales en los puntos, tales
como las establecidas por los fabricantes de equipos
Teniendo determinadas las bases del problema, el código
aplicable podría establecer los requerimientos
mínimos de seguridad para el material a las condiciones de
presión y temperatura de diseño. Algunos
códigos especifican los factores de expansión
térmica y el módulo de elasticidad para
materiales comúnmente usados en tuberías,
así como también proporcionan las fórmulas
para determinar los factores de intensificación de
esfuerzos y los factores de flexibilidad para los componentes del
sistema.
El análisis de flexibilidad de tuberías consiste
en determinar si una línea posee la suficiente capacidad
para absorber las cargas que inciden sobre ella tales como el
propio peso de la tubería, la expansión
térmica, las fuerzas producidas por la presión del
fluido, vibraciones, terremotos y
otras. Uno de los factores que pueden aumentar o disminuir la
flexibilidad de una tubería es su configuración
geométrica.
Los sistemas de tuberías deben poseer la flexibilidad
suficiente de manera que la expansión o la
contracción térmica, así como los
movimientos de soportes y equipos, no conduzcan a:
- Falla de la tubería o de los soportes por esfuerzos
excesivos o fatiga - Fugas en las juntas
- Falla de las boquillas de los equipos conectados
(recipientes a presión, bombas,
turbinas.), por reacciones excesivas.
Requerimientos de Flexibilidad en un Sistema de
Tuberías
En las tuberías, así como en otras estructuras,
el análisis de los esfuerzos puede llevarse a cabo con
diferentes grados de precisión. En un extremo está
la sencilla comparación con arreglos similares, que han
cumplido satisfactoriamente con los requerimientos del servicio; en
el otro extremo, están los métodos
del cálculo, que envuelven largos y complicados procedimientos y
que son relativamente costosos para un grupo de
ingeniería.
Por esta razón debe asegurarse que se cumplan los
siguientes requerimientos como mínimo:
- El rango de esfuerzos en cualquier punto debido a
desplazamientos en el sistema no debe exceder el rango de
esfuerzos permisibles establecido en la sección de
esfuerzos admisibles. - Las fuerzas de reacción no deben perjudicar a los
soportes o equipos conectados - Los movimientos de la tubería deben estar dentro de
los límites establecidos
Existen dos modalidades de análisis de flexibilidad: El
análisis de flexibilidad informal y el análisis de
flexibilidad formal.
En este aspecto, el código ASME B31.3 identifica
ciertas condiciones, para las cuales no se requiere el
análisis formal para confirmar la aceptabilidad de la
tubería, desde el punto de vista de su flexibilidad. Estas
condiciones son:
- El sistema es similar a otro que ha funcionado con
récord exitoso de servicio productivo. - El sistema puede ser juzgado rápidamente por
comparación con otros sistemas similares analizados
previamente - El sistema es de tamaño uniforme, no tiene
más de dos puntos de fijación sin apoyos ni
restricciones intermedias y cumple con la ecuación
empírica:
(37)
donde:
D = diámetro nominal (pulgadas, mm)
y = resultante del total de los desplazamientos
térmicos que deben ser absorbidos por el sistema
(pulgadas, mm)
L = longitud desarrollada de la tubería entre los
dos anclajes (pies, m)
U = distancia en línea recta entre los anclajes
(ft, m)
Kl = 0.03 (sistema inglés)
o 208.3 (Sistema Internacional)
En caso de no cumplir con lo antes mencionado, se
requiere realizar un análisis de flexibilidad
normal.
Fundamentos relacionados con el análisis de
flexibilidad
Una estructura que esté sujeta a un cambio de
temperatura cambiará sus dimensiones físicas si
está libre de expandirse. En caso contrario, se
inducirán esfuerzos provocándose fuerzas de
reacción y momentos en los equipos de los
extremos.
El problema básico del análisis de
flexibilidad es determinar la magnitud de estos esfuerzos en la
tubería y controlar que las reacciones en los puntos de
interconexión con equipos estén dentro de valores
aceptables.
Tubería Curva
Cuando se utiliza una tubería doblada para
cambiar la dirección en un sistema de tuberías, su
sección recta se deforma elípticamente cuando
está sometido a flexión y su flexibilidad aumenta.
Además, el tubo doblado tiene un mayor esfuerzo que el
determinado por la teoría elemental de flexión.
Esta característica de las tuberías dobladas o
codos, se toma en consideración en el análisis de
flexibilidad introduciendo los "factores de flexibilidad" y los
"factores de intensificación de esfuerzos", los cuales son
simplemente las relaciones entre la flexibilidad y esfuerzos
reales y aquellos teóricos derivados de la teoría
elemental de flexión.
Bajo las reglas del código ASME B31.3, el factor
de flexibilidad y el factor de intensificación de
esfuerzos para un tubo doblado o codo están dados por las
siguientes fórmulas:
Factor de Flexibilidad, k
La tubería curva tendrá una
característica de flexibilidad equivalente a la de una
tubería recta de la longitud L . k.
Factor de Intensificación de Esfuerzos,
i
El código hace distinción entre la
flexión en el plano de curvatura y fuera del plano de
curvatura.
(39)
(40)
donde:
h = características de flexibilidad 
t = espesor de la pared del tubo
R = radio de
curvatura del tubo curvo
r = valor medio entre el radio exterior e interior de la
sección del tubo.
Las tablas han sido tomadas del código ASME B31.3
donde se muestran los factores de flexibilidad y de
intensificación de esfuerzos para codos, codos fabricados,
ramales y puntos terminales.
Consideraciones en el diseño del
sistema por flexibilidad
Los sistemas de tuberías deben ser lo
suficientemente flexibles para evitar esfuerzos mayores que los
permisibles y cargas excesivas derivadas de la
expansión térmica.
Se deben evitar fallas por fatiga en tuberías y
soportes debido a deformaciones muy elevadas.
Para sistemas de tuberías en el área de la
planta de proceso y fuera de ella ("onsite" y
"offsite"):
SE <
SA (43)
Para sistemas de tuberías externos a las unidades
de proceso cuando el diseño es gobernado por condiciones
anormales de temperatura: Esfuerzo de flexibilidad
(SE) menor o igual que el doble del rango de esfuerzos
admisibles
SE <
2SA (44)
Sin embargo, esto está limitado a las siguientes
condiciones:
- Cuando la temperatura anormal del fluido está
por debajo de su punto de autoignición y de 500 ºF
(260ºC) - Cuando estas condiciones no ocurren más de 5
veces al año.
SA se calcula para la condición normal
y no se hace reducción en el cálculo del rango
admisible de esfuerzos (SA) por el esfuerzo
longitudinal (SL) que soporta la tubería cuando
es menor que el esfuerzo admisible en caliente
(Sh.
Número de ciclos a ser
considerados
El número de veces en que la línea
esté sometida a la combinación de temperatura y
movimientos en los extremos, también tiene influencia en
el diseño de un sistema por flexibilidad, ya que la base
para la determinación del esfuerzo de diseño por
flexibilidad, está asociada a consideraciones acerca del
deterioro por fatiga.
En el código de diseño de tubería
en refinería de petróleo (ANSI / ASME B31.3), el rango de
esfuerzo admisible es una función del número de
fluctuaciones completas de temperatura desde la mínima a
la máxima temperatura del metal. Este esfuerzo es
constante para los primeros 7000 ciclos de cambio en la
temperatura y se reduce para una cantidad mayor de
ciclos.
Si el número de ciclos esperados de cambio de
temperatura, durante la vida de la planta, excede 7000 ciclos, el
número de ciclos deberá ser indicado en las
especificaciones, para todas las líneas
involucradas.
Para propósitos de diseño mecánico,
deberán utilizarse 20 años de vida de la planta en
el estimado del número de ciclos. Esto significa que,
aproximadamente, 1 ciclo por día es necesario para superar
los 7000 ciclos (Ver ecuación 34 y Tabla 6).
Proceso General de Evaluación
del Problema de Flexibilidad en las
Tuberías
El objetivo del
análisis de flexibilidad de las tuberías es
asegurar el sistema contra la falla del material o soportes por
sobre esfuerzos, contra fugas en las juntas y contra sobre
solicitación en los equipos acoplados. En el
análisis de flexibilidad de cualquier sistema, los
siguientes pasos son típicos a fin de confirmar la
aceptabilidad de un diseño de tuberías:
Típicamente, el sistema debe a ser evaluado tiene
especificado el tamaño de la línea, el material y
el número de ciclos de temperatura previstos, definidos
por el proceso, y las consideraciones de las presiones y
temperaturas de diseño. Esta información junto con el arreglo de la
tubería y el mayor diferencial de temperatura,
considerando operación normal, puesta en marcha, disparo o
paradas, limpieza con vapor, condiciones anormales, etc.,
representan los datos necesarios
para las evaluaciones de la flexibilidad del sistema.
Con respecto al arreglo inicial, típicamente se
selecciona de tal forma que sea consistente con las limitaciones
en las caídas de presión, el espacio disponible,
acceso a los equipos, estructuras existentes para soportes y
reglas prácticas inherentes a la flexibilidad de la
tubería.
Las condiciones en los extremos tienen que ser
supuestas. La práctica general en este aspecto es tomar
los puntos terminales como totalmente fijos, en la ausencia de un
análisis detallado de las rotaciones y deflexiones en los
cuerpos de los recipientes, bombas, carcasas de compresores o
turbinas u otros anclajes de la tubería.
El diseñador deberá localizar, con
razonable precisión, todos los puntos de restricciones
intermedios incluyendo soportes, guías, topes y todos los
ramales que afecten significativamente la flexibilidad de la
tubería. Las mayores restricciones a los movimientos
libres de la línea debido a guías o soportes,
usualmente se toman en consideración en los
cálculos o en otras formas de análisis.
Por supuesto, todas las ubicaciones de los soportes,
incluyendo resortes o contrapesos, deberán ser
considerados para la evaluación de las cargas aplicadas y
esfuerzos atribuidos a cargas muertas.
Se debe seleccionar un método
apropiado para el análisis del sistema de acuerdo con su
importancia.
Finalmente, deberá hacerse una comparación
de los resultados obtenidos con el rango de esfuerzo admisible,
con los criterios de cargas límites seleccionados para el
sistema o los equipos conectados al mismo.
Análisis de Flexibilidad por
Computadora
Programas como el CAESAR II están disponibles
para ejecutar análisis detallados de los esfuerzos en
sistemas de tuberías con muchas ramificaciones. Este
programa
está desarrollado para ambiente Windows y su
principal función es el modelaje, análisis y
diseño de sistemas de tuberías, objetivo que logra
este programa mediante el estudio de aspectos fundamentales del
análisis de tuberías como:
- Esfuerzos por carga sostenida, expansión
térmica y operacional en la tubería. - Esfuerzos y reacciones en boquillas de equipos
rotativos y recipientes a presión, según las
normas API. - Modelaje y selección de soportes.
- Cálculo de desplazamientos y deflexiones en
las tuberías - Análisis y resultados por medio de normas
estándar de diseño.
A diferencia de los métodos simplificados, este
programa de computación puede ejecutar el
análisis de esfuerzos y cargas aplicadas en la
tubería de una forma precisa, siendo la única
limitación, el espacio para almacenamiento
disponible en el computador.
El sistema de tuberías puede estar compuesto por
cualquiera de los más comunes elementos, tales como tramos
rectos, codos, tés, etc.
Estos componentes pueden tener cualquier
orientación en el espacio. Las cargas pueden resultar de
la expansión térmica, movimientos en los anclajes,
peso uniforme de la tubería y su contenido, restricciones
externas que incluyen fuerzas o momentos aplicados, deflexiones y
rotaciones. Los problemas que
incluyan apoyos con restricciones parciales así como
extremos libres, pueden ser resueltos.
En muchos casos se prepara un croquis isométrico
a mano alzada, para discriminar todos los datos pertinentes que
se usarán en el análisis de
flexibilidad.
Los datos de entrada consisten en una descripción geométrica del arreglo:
dimensiones, propiedades físicas, temperatura de
operación, restricciones impuestas. Esta
información puede ser introducida en el sistema
métrico SI o en sistema inglés.
Los elementos de entrada deberán ser descritos y
numerados en una secuencia definida, de manera de permitir la
interpretación correcta de los resultados.
Los resultados que produce el programa de análisis de
flexibilidad incluyen los esfuerzos, deflexiones, rotaciones,
momentos y fuerzas en cada punto de interés
del sistema de tuberías, así como las fuerzas y
momentos en los anclajes y restricciones.
El análisis estático se usa para estudiar
la respuesta a cargas cuyas magnitudes permanecen constantes en
un período de tiempo
relativamente largo. Las opciones de cargas estáticas en
CAESAR II son gravedad (peso muerto), térmica,
presión, viento y terremoto. No obstante, el terremoto no
es una carga estática,
pero puede considerarse como una carga estática
equivalente por simplicidad.
Para efectos de este proyecto no se considerarán
las cargas de viento ni de terremoto.
El programa CAESAR II ejecuta el análisis para
cargas totales y los pasos son:
- Analizar por sostenido.
- Analizar por térmico
- Análisis operacional
Consideraciones sobre arreglos de
tuberías
Después de que el diámetro y el material de la
tubería han sido seleccionados y de que el espesor
requerido de pared de los tubos y la clase
("rating") de las bridas han sido establecidas, el
diseñador de la tubería tendrá que elaborar
una disposición económica de tuberías para
el nuevo sistema. Además, el diseñador de
tuberías debe familiarizarse con los problemas de
soportaría, los tipos disponibles de soportes y su
aplicación. Por ejemplo, las líneas de
tubería deben ser proyectadas para usar las estructuras
existentes en los alrededores para proveer puntos lógicos
de soporte, si hay espacio disponible en tales estructuras y se
puede usar el soporte apropiado.
Consideraciones sobre disposición
general
En la disposición y arreglo de sistemas de
tubería para refinerías, deberán tomarse en
consideración los siguientes requerimientos:
Facilidad de Operación
Los puntos de operación y control tales
como aquellos donde están instalados válvulas,
bridas, instrumentos, toma-muestras y drenajes, deberán
ser ubicados de modo que esas partes del sistema puedan ser
operadas con mínima dificultad.
Accesibilidad para Mantenimiento
El sistema de tubería deberá ser proyectado de
manera tal que cada porción del sistema pueda ser reparado
o reemplazado con mínima dificultad. Deben proveerse
espacios libres, como por ejemplo, en los cabezales o extremos de
los intercambiadores de calor, carcasa
y tubos, para permitir la remoción del haz tubular.
Economía
Deben llevarse a cabo estudios de ruta de las tuberías,
para determinar el trazado económico del sistema. Existe
una tendencia frecuente de parte de algunos diseñadores a
prever excesiva flexibilidad en los sistemas de tuberías.
Esto puede incrementar los costos de
material de fabricación más de lo necesario y
algunas veces puede conducir a vibraciones excesivas en el
sistema.
Requerimientos Especiales de Proceso
Para algunos sistemas de tubería, la presión
disponible es crítica, de modo que las pérdidas de
presión por flujo debido a codos y otros accesorios en la
línea deben ser minimizadas.
Ampliaciones Futuras
En el diseño de un sistema de tubería deben
hacerse consideraciones sobre la posibilidad de futuras
ampliaciones.
Apariencia
El sistema de tubería nuevo deberá proyectarse
de forma que armonice físicamente con los sistemas de
tuberías existentes, con los equipos y los elementos de
infraestructura de la refinería, tales como calles,
edificios, etc.
Minimizar los Extremos
Los extremos muertos y bolsillos en las partes bajas de los
sistemas de tubería deben ser evitados en lo posible. Esas
partes ocasionan dificultades en el drenaje de los sistemas de
tubería. Todos los extremos muertos y bolsillos en las
partes bajas del sistema, así como los puntos altos, deben
ser provistos de drenajes adecuados.
Maximizar el Uso de Soportes Existentes
Donde sea posible, la tubería debe tenderse sobre
soportes existentes o extendidos de soportes existentes, con el
fin de reducir costos de soportería. La capacidad de carga
de los soportes existentes debe ser evaluada, para asegurarse de
que puede soportar la carga adicional de las tuberías
nuevas.
Separaciones para Expansión Térmica
Debe preverse la separación suficiente, entre
tuberías adyacentes y entre una tubería y
obstrucciones estructurales adyacentes, para tomar en cuenta la
libre expansión térmica de la tubería. Las
separaciones requeridas deben basarse en las máximas
expansiones térmicas diferenciales aun bajo condiciones
anormales.
Espacios
La tabla 7 indica las separaciones mínimas verticales
recomendadas, entre la rasante acabada o parte superior de la
placa de piso y el fondo de la tubería, aislamiento o viga
de apoyo.
Consideraciones de arreglo para facilitar el apoyo
y la sujeción
Además de establecerse la disposición y el
arreglo general de las tuberías y las condiciones globales
de diseño, deben definirse los tipos de arreglos de
soportes. A este respecto, las siguientes son consideraciones
generales que afectan el trazado de la tubería para una
sustentación favorable.
El sistema de tubería deberá ser en lo posible,
autosoportante y consistente con los requerimientos de
flexibilidad.
Tabla Nº 7
Separaciones Mínimas Verticales
Para ver el cuadro seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Fuente: Álvarez (2003)
El exceso de flexibilidad puede requerir soportes o
sujeciones adicionales para evitar movimiento y vibraciones en
una amplitud tal que despierte desconfianza en el personal. Esta
situación es propensa a ocurrir en líneas
verticales donde solamente hay un punto de apoyo para sostener el
peso.
Las tuberías propensas a vibrar, tales como
líneas de succión o descarga de bombas
reciprocantes o compresores, deberán ser diseñadas
con sus soportes propios e independientes de otras
tuberías. El diseño debe permitir el uso de apoyos
fijos o soportes rígidos que ofrezcan resistencia al
movimiento y provean cierta capacidad de amortiguación, en
vez de los soportes colgantes.
La tubería debe estar lo suficientemente cerca al
punto de apoyo de sujeción, de manera que el conjunto
estructural pueda tener la rigidez adecuada y los componentes de
fijación sean simples y económicos.
Los tubos de las conexiones superiores de recipientes
verticales se apoyan y fijan ventajosamente en el recipiente para
minimizar movimientos independientes de recipiente, soportes y
tuberías, por tanto, tales tuberías deben ser
trazadas los más cerca posible del recipiente y soportadas
muy cerca de la conexión.
Las tuberías sobre estructuras deben ser trazadas
debajo de las plataformas, cerca de los miembros estructurales
principales, en puntos donde sea favorable añadir cargas,
a fin de evitar la necesidad de reforzar esos
miembros.
Debe asignarse suficiente espaciamiento para acceso
fácil a las partes sujetadoras de aquello soportes que
requieran mantenimiento
o servicio.
Diseño de soportes para
tuberías
Generalidades
La selección y el diseño de soportes para
tuberías es una parte importante en el estudio ingenieril
de cualquier instalación de procesos
industriales. Los problemas para diseñar tuberías
para altas presiones y temperaturas, tienden a ser
críticos en un punto donde es imperativo qué
aspectos de diseño, tales como el efecto de cargas en
soportes concentradas en estructuras, cargas sobre equipos
conectados debido al peso de la tubería y tolerancias de
los soportes respecto a tuberías y estructuras; sean
tomados en consideración en las primeras etapas de un
proyecto.
Existen métodos eficientes establecidos para
ejecutar los trabajos requeridos para arribar a un diseño
apropiado de soportes. A continuación se discutirán
varios pasos involucrados en el diseño de
soportes.
Recopilación de Información
Básica
El primer paso involucrado en el diseño de
soportes es determinar y obtener la cantidad necesaria de
información básica antes de proceder a los
cálculos y detalles de los soportes. El diseño no
será completo si el ingeniero no tiene la oportunidad de
revisar el equivalente a la siguiente
información:
- Especificación del soporte, cuando sea
disponible - Un señalamiento completo de dibujos de
tuberías - Un señalamiento completo de
estructuras - Una especificación apropiada de
tuberías y datos que incluyan: tamaño de la
tubería, composición, espesor de pared,
temperaturas y presiones de operación. - Una copia de la especificación del aislante
con su densidad - Válvulas y accesorios especiales, indicando
sus características (peso, dimensiones,
etc.) - Deflexiones de todas las conexiones de succión
de equipos críticos como fondos de caldera, tambores de
vapor, conexiones de tuberías, etc.
Guías generales sobre ubicación de
soportes
La ubicación apropiada de soportes colgantes o
soportes fijos involucra consideraciones de la propia
tubería, de la estructura a la cual se transmite la carga
y de las limitaciones de espacio. Los puntos preferidos de
fijación de la tubería son:
- Sobre tubería propiamente y no sobre
componentes tales como: válvulas, accesorios o juntas de
expansión. Bajo cargas concentradas (puntuales), las
bridas y juntas roscadas pueden gotear y los cuerpos de
válvulas pueden deformarse produciendo goteo,
trabazón del vástago o goteo a través del
asiento. - Sobre tramos rectos de tuberías en lugar de
sobre codos de radios agudos, juntas angulares o conexiones de
ramales prefabricados, puesto que en estos sitios se encuentra
la tubería ya sometida a esfuerzos altamente
localizados, a los cuales se agregarían los efectos
locales de la fijación. - Sobre tramos de tuberías que no requieran
remoción frecuenta para limpieza o
mantenimiento. - Tan cerca como sea posible de concentraciones grandes
de carga, tales como: tramos verticales, ramales de
tubería, válvulas motorizadas o bien
válvulas pesadas y recipientes menores, tales como
separadores, colabores.
Espaciamientos de soportes
La localización de los soportes depende del
tamaño de la tubería, configuración de la
misma, localización de las válvulas y accesorios y
de la estructura disponible para el soporte de
tuberías.
En un tendido de tubería horizontal, sencillo, en
campo abierto, el espaciamiento de soportes depende
únicamente de la resistencia del tubo. Dentro de los
límites de una unidad de proceso, por otra parte, el
espaciamiento de soportes está determinado mayormente por
el espaciamiento de columnas convenientemente
ubicadas.
Comúnmente el espaciamiento o tramo entre
pórticos de un puente de tubería se
determinará con base en la tubería más
débil. Las líneas de diámetro
pequeños pueden apuntalarse a lo largo de extensas luces
proveyéndolas de soportes intermedios, sujetos a las
tuberías adyacentes más grandes; un grupo de tales
líneas pueden también atarse juntas, de manera tal
que aumente la inercia combinada. Algunas veces, sin embargo, la
solución más práctica es, simplemente,
incrementar el diámetro del tubo hasta el punto que sea
autosoportante a lo largo de la luz
requerida.
Las luces permisibles para líneas horizontales
están principalmente limitadas por los esfuerzos
longitudinales que deben mantenerse dentro de los límites
o, en algunos casos, por la máxima deflexión. De
igual manera, en otros casos especiales, puede limitarse la luz
para controlar la frecuencia sónica natural de las
líneas, de manera de evitar vibraciones
indeseables.
El máximo espacio sugerido entre soportes, se
encuentra listado en la tabla 10. Este espaciado se basa sobre un
esfuerzo de torsión y cortante combinado de 1500 Psi
(10.34 MPa), cuando la tubería está llena de
agua y se
permite una deflexión entre soportes de 1/10" (2.54 mm).
Estos no se aplican cuando existen pesos concentrados tales como
presencia de válvulas y otros accesorios pesados o cuando
ocurran cambios de dirección en el sistema de
tuberías.
En caso que se presenten cargas concentradas, los
soportes deberían estar puestos tan cerca como sea posible
a la carga, con la intención de mantener el esfuerzo
flexionante al mínimo.
En la práctica, un soporte debería ser
colocado inmediatamente después de cualquier cambio de
dirección en la tubería.
Por economía de los
soportes de sistemas de baja presión y temperatura y
largas líneas externas de transmisión, la distancia
entre soportes se puede basar sobre el esfuerzo total permisible
de la tubería y la cantidad de deflexión permisible
entre soportes.
Tabla Nº 8
Espaciado Sugerido entre Soportes
Para ver el cuadro seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Fuente: Álvarez (2003)
Cálculos movimientos
térmicos de la tubería
El primer paso en el diseño de soportes de
tuberías involucra el cálculo de la
expansión térmica de la tubería en cada
soporte localizado. La manera más económica de
seleccionar el tipo de soporte apropiado es, tomar como criterios
de diseño la cantidad de movimiento y la fuerza soportante
requerida.
El cálculo de deflexiones y expansiones
(desplazamientos) en tuberías se puede realizar
manualmente o con el uso de herramientas
computarizadas destinadas para tal fin; realizar estos
cálculos manualmente implica un estudio altamente
complicado del sistema, conllevando a su vez a un gasto de tiempo
innecesario si se cuentan con sistemas computarizados que puedan
calcularlas eficientemente.
Los cálculos de movimientos en tuberías se
sugiere sean hechos con apoyo del sistema CAESAR II; el cual con
un alto grado de exactitud, determina los desplazamientos y
rotaciones que se generan en el sistema, producto de
expansiones térmicas o esfuerzos de
presión.
Después de establecer los puntos de anclajes y
soportes de la tubería, se simulan los puntos de soportes
en una "corrida" del programa CAESAR II.
Los desplazamientos calculados por el sistema CAESAR II
serán utilizados para determinar el tipo de soporte a
utilizar, en cada punto de sustentación.
Cálculos de cargas en los
soportes
Las expansiones térmicas de tubería en
instalaciones modernas con altas presiones y temperaturas de
operación, hacen necesario para el diseñador,
especificar soportes flexibles, para lo cual se requiere un
cálculo preciso para determinar la carga a considerar para
el soporte.
Un sistema de suspensión bien balanceado
dará como resultado valores aproximadamente iguales de las
cargas en los colgadores y soportes, siempre y cuando toda la
tubería sea del mismo tamaño y, no haya cargas
altamente concentradas ubicadas cerca de un soporte o colgador.
Donde haya cargas concentradas dentro del sistema, las cargas en
los soportes y colgadores adyacentes serán
correspondientemente mayores.
Las siguientes cargas deben ser consideradas en los
cálculos de diseño para soportes:
- Peso de la tubería y el aislamiento,
sólo donde sea especificado. - Peso de los fluidos contenidos en la línea,
basado en agua o el fluido contenido; el que sea mayor. Cuando
las líneas no son probadas hidrostáticamente, el
peso del contenido de la línea puede ser basado
sólo en los fluidos contenidos. - Las cargas laterales ocasionadas por el movimiento de
la línea o soportes.
El cálculo de las cargas de diseño para
soportes puede determinarse por los métodos usuales de la
estática. Obviamente, esto requiere que primero se
seleccionen todas las ubicaciones de los soportes para la
línea en consideración.
Hay métodos de cálculo con calculadoras
manuales, sin
embargo, son tediosos cuando involucran configuraciones complejas
de tubería. Cuando se presenta esta situación o
para el caso de una tubería pegada a un equipo capaz de
absorber cargas, se sugiere usar los programas de
computación de flexibilidad en tuberías que
existen, para determinar todas las reacciones de carga en los
soportes.
El sistema CAESAR II proporciona la herramienta
necesaria para calcular las cargas estáticas que
actúan en todas las direcciones en un punto especificado
en el sistema de tuberías; por lo tanto, se pueden
determinar con un alto grado de exactitud las cargas que se
presenten en los puntos de soporte.
Las cargas sobre los soportes calculados y mostrados por
el sistema CAESAR II serán utilizadas para determinar la
capacidad y la dimensión de los soportes a
seleccionar.
Selección de soportes
La selección del tipo de soporte apropiado para
cualquier aplicada dada, es gobernada por la configuración
en particular de la tubería y las condiciones de
operación.
Los tipos de soportes utilizados son clasificados
generalmente de la siguiente manera:
Soportes flexibles
Cuando una tubería lineal se deflecta
verticalmente como resultado de la expansión
térmica, es necesario proveer soportes flexibles. Estos
aplican la fuerza soportante aunque la expansión y
contracción ciclen al sistema.
Los soportes flexibles se subdividen en dos tipos: de
carga constante y de carga variable.
Soportes flexibles de carga constante
Los soportes flexibles de carga constante, proveen una
fuerza constante de apoyo, aunque el mismo esté al
máximo rango de la expansión y contracción
vertical. Esto es logrado con el uso de un resorte helicoidal
trabajando en conjunto con un codo de palanca, de tal manera que
la fuerza del resorte, multiplicada por la distancia del brazo
pivote se iguale siempre a la carga de la tubería
multiplicada por la distancia a la palanca pivote.
Debido a que su efecto de soporte es constante,
éstos son usados donde se desea prevenir transferencia de
cargas de peso a equipos conectados o a soportes adyacentes. En
consecuencia, generalmente se usan para soportar sistemas de
tuberías críticas.
Soportes flexibles de carga variable
Los soportes flexibles de carga variable son usados para
tuberías sujetas a movimientos verticales donde los
soportes flexibles de carga constante no son requeridos. La
característica inherente de un soporte de carga variable
es que la fuerza soportadora varía con la deflexión
del resorte y con la escala del mismo,
por lo tanto, la expansión vertical de la tubería
causa una correspondiente tracción o compresión en
el resorte y causará un cambio en el efecto de
sustentación actual del soporte.
La variación de la carga es igual al producto de
la deflexión vertical y la constante del resorte. Puesto
que el peso de la tubería es el mismo durante cualquier
condición, en frío o en operación, la
variación en la carga conlleva a la transferencia del peso
de la tubería a equipos y soportes adyacentes y por
consecuencia se generan esfuerzos adicionales en el sistema de
tuberías. Cuando un soporte flexible de carga variable es
usado, el efecto de esta variación debe se
considerado.
Los soportes flexibles de carga variable son para uso
general, sobre sistemas de tuberías no críticas y
donde el movimiento vertical es de pequeña magnitud con
respecto a la criticidad del sistema. Se considera
práctico limitar la variación de la fuerza
sustentadora a un 25% para sistemas críticos sobre
tuberías horizontales.
Soportes rígidos
Los soportes rígidos son normalmente usados en
puntos donde no ocurren movimientos verticales de la
tubería.
Las consideraciones de diseño para un soporte
rígido son: la temperatura de la tubería, para
seleccionar el material de la abrazadera y la carga para
seleccionar los componentes adecuados para el peso de la
tubería implicada.
El material de la abrazadera de la tubería es
usualmente acero al carbono para
temperaturas de hasta 750ºF (398.89ºC), acero aleado
para temperaturas superiores a 750ºF (398.89ºC) o
hierro forjado para temperaturas de hasta 450ºF
(232.22ºC)
Para sistemas de tuberías de baja temperatura de
operación, donde la expansión vertical no es
considerada, los componentes de ensamblaje del soporte son
seleccionados y diseñados sobre el cálculo
básico de resistencia de materiales o cargas
aproximadas.
En algunas instancias, el soporte rígido
además de ser usado como soporte del peso de la
tubería, es también adecuado como una
restricción del movimiento vertical de la tubería.
En estos casos el ingeniero debe ejecutar con sumo cuidado la
localización de los soportes rígidos y la carga de
diseño que se use para seleccionar los componentes
adecuados.
La instalación indiscriminada de un artefacto
restrintor sobre un sistema de tubería, podría
alterar los esfuerzos y reacciones en la tubería de manera
severa, cambiando el diseño del sistema a uno en el cual
se exceden los límites de un buen diseño. Es por
ello que se deben revisar los valores generados por la
instalación de estos soportes durante el cálculo de
los esfuerzos y reacciones, para que no sobrepasen los
permisibles recomendados por los códigos ANSI/ASME para el
diseño de tuberías.
Otra clasificación de soportes para
tuberías es la siguiente:
Colgadores o Soportes
Se usan para soportar el peso de sistemas de
tuberías. Si se encuentran colocados por encima se
denominan colgadores y, si están por debajo se denominan
soportes. Los colgadores o soportes a su vez se clasifican
en:
- Colgadores o soportes rígidos: Para
puntos libres de desplazamiento vertical. - Amortiguadores de resorte: Puntos con
desplazamientos menores a 2" (50.8 mm) en servicios no
críticos. - Colgadores o soportes de carga variable:
Puntos con desplazamientos mayores a 2" (50.8 mm) - Colgadores o soportes de carga constante:
Puntos con desplazamiento vertical en servicios
críticos.
Restricciones
Para restringir o limitar el movimiento de sistemas de
tuberías debido a expansión
térmica.
Las restricciones se clasifican en:
- Anclajes: Para fijar completamente la
tubería en ciertos puntos. - Topes: Para prevenir el movimiento
longitudinal de la tubería permitiéndole
rotar. - Guías: Para permitir desplazamientos en
una dirección específica. - Amortiguadores: Para limitar el movimiento de
la tubería debido a fuerzas diferentes al peso y a la
expansión térmica. - Clasificación de los Amortiguadores o
Snubbers: - Controladores de vibraciones: Para prevenir o
disminuir vibraciones. - Amortiguadores hidráulicos o
mecánicos: Para suprimir el movimiento debido a
terremotos, golpes de ariete, sin restringir la
expansión térmica.
Definición de Términos
Básicos
Anclaje Direccional: Es una estructura que
restringe el movimiento axial de una tubería dentro de un
rango determinado.
Cargas Dinámicas: Son aquellas cargas que
varían con el tiempo, ejemplo: cargas de viento,
terremoto, etc.
Cargas Sostenidas: Son aquellas cargas que
después de la deformación del material al que
están aplicadas, permanecen constantes. Ejemplo: cargas
por peso.
Guías: Son estructuras que dirigen el
movimiento de una tubería en la dirección que se
desea. Las formas y tamaños de las guías
varían mucho. Estas estructuras pueden estar ligadas a
otros tipos de soportes de tuberías como las
zapatas.
Lazo de Expansión: Es una
configuración geométrica determinada de un segmento
de tubería que permite que ésta se expanda con una
disminución considerable de los esfuerzos.
Rating: Clasificación.
Soporte: Cualquier material, instrumento, etc.,
que sirve para que algo se apoye sobre él, o para
sostenerlo o mantenerlo en una determinada
posición.
Zapata: Consiste en una estructura
metálica vertical soldada a una tubería y otra
horizontal que se asienta sobre la viga o arreglo en el que la
tubería se apoya. Su función es permitir que la
tubería se desplace a causa de la expansión
térmica sin sufrir efectos de fricción.
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Autor:
Ing. Eddin Gotera
MSc Mantenimiento
Industrial
eddingotera[arroba]gmail.com