Recipiente a presión

CAP. I GENERALIDADES.

FUNCION DEL RECIPIENTE

INTRODUCCION

HISTORIA DEL CODIGO
A.S.M.E.

CLASIFICACION DEL CODIGO
A.S.M.E.

LIMITACIONES DE LA DIVISION 1

SOCIEDADES E INSTITUTOS

NORMAS DE CALIDAD ISO
9000

TIPOS DE RECIPIENTES

TIPOS DE TAPAS PARA RECIPIENTES A PRESION

CAP. II CRITERIOS DE DISEÑO

MATERIALES PARA RECIPIENTES A PRESION

CONSEPTO DE ESFUERZO ADMISIBLE

FILISIFIA DE DISEÑO

TIPO DE CARGAS – ESFUERZOS

TOLERANCIAS

ECUACION DE LA MEMBRANA MODIFICADA POR ASME

CATEGORIA DE CARGAS

*HISTORIA DEL CÓDIGO
A.S.M.E.*

A fin de 1700, sobresale el uso de calderas y la
necesidad de proteger al personal de
fallas catastróficas. Las calderas para
generación de vapor con presiones mayores a la
atmosférica. El descuido y la negligencia de los
operadores, las fallas de diseño
en las válvulas de seguridad,
inspecciones inadecuadas producen muchas fallas y explosiones de
calderas en
los Estados Unidos y
Europa.

En junio de 1817, el comité del consejo de
Filadelfia expone las explosiones de calderas de
barcos. Este comité recomienda que se establezca un
Instituto Legislador y se reglamenten las capacidades de
presión, Instalación adecuada a la válvula
de alivio e inspección mensual.

En 1911, debido a la falta de uniformidad para la
fabricación de calderas, los
fabricantes y usuarios de calderas y
recipientes a presión recurrieron al consejo de la
A.S.M.E., para corregir está situación.

En respuesta a las necesidades obvias de diseño
y estandarización, numerosas sociedades
fueron formadas entre 1911 y 1921, tales como la A.S.A.
(Asociación Americana de Estándares) ahora ANSI
(Instituto Americano de Estándares Nacionales) el A.I.S.C.
(Instituto Americano del Acero de Construcción) y la A.W.S. (Sociedad
Americana de Soldadura).

Los códigos estándares fueron establecidos
para proporcionar métodos de
fabricación, registros y
reportar datos de diseño.

CLASIFICACIÓN DEL CÓDIGO
A.S.M.E.

Sección I Calderas de
Potencia

Sección II Especificación de
Materiales

Sección III Requisitos generales para
División 1 y División 2

Sección IV Calderas para
Calefacción

Sección V Pruebas no
Destructivas

Sección VI Reglas y Recomendaciones para el
cuidado y operación de

Las Calderas de
Calefacción

Sección VII Guía y recomendaciones para el
cuidado de Calderas
de

Potencia

Sección VIII Recipientes a
Presión

Sección IX Calificación de
Soldadura

Sección X Recipientes a Presión de
Plástico reforzado en fibra de

Vidrio

Sección XI Reglas para Inspección en
servicio de
Plantas
Nucleares

CODIGO ASME SECCION VIII DIVISION 1

En esta parte del código se establecen los
requerimientos mínimos para el diseño,
fabricación e inspección y para obtener la
certificación autorizada de la ASME para los recipientes a
presión.

En base a esto se ha dividido en:

Subsección A. Parte UG que cubre los
requerimientos generales.

Subsección B. Requerimientos de
fabricación

Parte UW.- Para recipientes que serán fabricados
por soldadura.

Parte UF.- Para recipientes que serán fabricados
por forjado

Parte UB.- Para recipientes que serán fabricados
utilizando un material de relleno no ferroso a este proceso se le
denomina "brazing"

Subsección C. Requerimientos de
materiales

Parte UCS.- Para recipientes construidos con acero al
carbón y de baja aleación.

Parte UNF.- Para los construidos con materiales
no ferrosos.

Parte UCI.- Para los construidos con fierro
fundido.

Parte UCL.- Para los construidos con una placa "clad"
integral o con recubrimiento tipo "lining".

Parte UCD.- Para los construidos con fierro fundido
dúctil.

Parte UNT.- Para los construidos con aceros ferriticos
con propiedades de tensión mejoradas por tratamiento
térmico.

Parte ULW.- Para los fabricados por el método
de multicanas.

Parte ULT.- Para los construidos con materiales
con esfuerzos permisibles mas altos a bajas
temperaturas.

• LIMITACIONES DE LA DIVISIÓN
  1

• La presión deberá ser menor a 3000
  psi.
• Calentadores tubulares sujetos a fuego.
• Recipientes a presión que son parte integral
  de componentes de sistemas de
  tubería
• Sistemas de tuberías.
• Componentes de tubería.
• Recipientes para menos de 454.3 litros (120 galones)
  de capacidad de agua, que
  utilizan aire como
  elemento originador de presión.
• Tanques que suministran agua
  caliente bajo las siguientes características:
• Suministro de calor no
  mayor de 58,600 W (200,000 Btu/h)
• Temperatura del agua de
  99° c (210°f)
• Capacidad de 454.3 lt (120 galones)
• Recipientes sujetos a presión interna o
  externa menor de 1.0055 Kg./cm² (15psi)
• Recipientes que no excedan de 15.2 cm (6 pulg) de
  diámetro.

SOCIEDADES E INSTITUTOS

A.W.S. (American Welding
Society)

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.

A.I.S.C. (American Institute of Steel
Construction)

Fundado en 1921, su primer manual
surgió en 1926, proporciona una Guía y
código para maximizar la eficiencia del
diseño
de acero estructural
y seguridad.

El código A.I.S.C. contiene ecuaciones de
diseño,
criterios de diseño
y 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.

A.N.S.I. (American National Standars
Institute)

Inicialmente establecida en 1918 como A.S.A. (American
Standars Association) cambio su
nombre en 1967 a U.S.A.S.I. (U.S.A. Standars Institute) y en 1969
cambio a
A.N.S.I.

No todos los estándares de U.S. son directamente
resueltos por A.N.S.I. El A.S.M.E., A.W.S., y numerosas organizaciones
definen los estándares y códigos aplicables a la
tubería.

A.N.S.I. clasifica la aplicación del sistema de
tuberías, bridas, pernos, roscas,
válvulas.

A.S.M.E. (American Society of Mechanical
Engineers)

En 1913, en comité editó el primer reporte
preliminar de 2000 ingenieros mecánicos, profesionales e
inspectores de seguros.

En 1914, se edito la sección 1 del código
A.S.M.E., uno de los primeros códigos y estándares
en U.S.

El comité recomienda del código para
calderas y
recipientes a presión así como el estándar
para construcción y código de
inspección.

A.S.T.M. (American Society for Testing and
Materials)

Fue fundada en 1898 para desarrollar los
estándares de la característica y eficiencia de los
materiales,
productos,
suministros de servicios y
producir lo relativo a su comportamiento.

NORMAS DE CALIDAD
ISO

INRODUCCION.

Este estándar internacional 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.

1. 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.

2. 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.

3. ISO 9002. Sistema de
   calidad –
   modelo para
   aseguramiento de calidad en
   producción, instalación y servicio.
4. ISO 9003. Sistema de
   calidad –
   modelo para
   aseguramiento de calidad en
   prueba de inspección final.

• NORMAS DE REFERENCIA

El siguiente estándar contiene provisiones, las
cuales son mencionadas en este texto
constituyendo provisiones de este estándar internacional.
Todos los estándares son sujetos a revisión y las
partes de los acuerdos de este estándar son impulsados a
investigar la posible aplicación de la más reciente
edición del estándar.

POLITICA DE CALIDAD.

La administración del proveedor con responsabilidad ejecutiva de definir y aumentar su
política
para la calidad. La
política
de calidad debe ser relacionada a los propósitos
organizacionales del proveedor así como las expectativas y
necesidades de sus clientes, el
proveedor deberá tomar en cuenta las diferentes
actividades como apropiadas, en reunir requerimientos
especificados para productos.

CONTROL DE DISEÑO.

ENTRADA DE DISEÑO.

Los requerimientos de entrada de diseño
relacionado con el producto,
incluyendo requerimientos aplicables mandatarios y regulatorios
deben ser identificados, documentados y revisado su
selección con el proveedor, para su educación. Los
requerimientos incompletos, ambiguos o conflictivos, deben ser
resueltos con aquellos responsables de establecer estos
requerimientos.

SALIDA DE DISEÑO.

Debe ser documentada y expresada en términos que
pueda ser verificada y validada contra los requerimientos de
entrada de diseño.

La salida de diseño debe ser;

1. Satisfacer los requerimientos de entrada de
   diseño.
2. Contener o hacer referencia a criterios de
   aceptación.
3. Identificar aquellas características del diseño que son
   cruciales en la seguridad y
   funcionamiento apropiado del producto.
   Los documentos de
   salida de diseño deben ser revisados antes de su
   liberación.

REVISION DE DISEÑO.

En apropiadas etapas de diseño, revisiones
formales documentadas de los resultados de diseño deben
ser planeadas y conducidas.

Los participantes en cada revisión deben incluir
representantes de todas las funciones
relacionadas con la etapa de diseño esta siendo revisada,
así como otro personal
especialista cuando se requiera.

CAMBIOS DE DISEÑO.

Todos los cambios y modificaciones de diseño
deben ser identificados, documentados, revisados y comprobados
por personal
autorizado antes de su implementación.

TIPOS DE
RECIPIENTES

Existen numerosos tipos de recipientes que se utilizan
en las plantas
industriales o de procesos.
Algunos de estos tienen la finalidad de almacenar sustancias que
se dirigen o convergen de algún proceso, este
tipo de recipientes son llamados en general tanques. Los
diferentes tipos de recipientes que existen, se clasifican de la
siguiente manera:

POR SU USO:

Los podemos dividir en recipientes de almacenamiento y
en recipientes de procesos.

Los primeros nos sirven únicamente para almacenar
fluidos a presión y de acuerdo con sus servicios son
conocidos como tanques de almacenamiento,
tanques de día, tanques acumuladores, etc.

POR SU FORMA:

Los recipientes a presión pueden ser
cilíndricos o esféricos. Los primeros son
horizontales o verticales y pueden tener en algunos casos,
chaquetas para incrementar o decrecer la temperatura de
los fluidos según sea el caso.

Los esféricos se utilizan generalmente como
tanques de almacenamiento, y
se recomiendan para almacenar grandes volúmenes
esféricos a altas presiones. Puesto que la forma
esférica es la forma natural que toman los cuerpos al ser
sometidos a presión interna esta sería la forma
más económica para almacenar fluidos a
presión sin embargo en la fabricación de estos es
mucho más cara a comparación de los recipientes
cilíndricos.

Los tipos más comunes de recipientes pueden ser
clasificados de acuerdo a su geometría
como:

1.- Recipientes Abiertos.

2. Tanques Abiertos.

2.- Recipientes Cerrados.

2.1 Tanques cilíndricos verticales, fondo
plano.

2.2 Recipientes cilíndricos horizontales y
verticales con cabezas formadas.

2.3 Recipientes esféricos.

Indicaremos algunas de las generalidades en el uso de
los tipos más comunes de recipientes:

• RECIPIENTES ABIERTOS: Los recipientes abiertos son
  comúnmente utilizados como tanque igualador o de
  oscilación como tinas para dosificar operaciones
  donde los materiales
  pueden ser decantados como: desecadores, reactores
  químicos, depósitos, etc.

Obviamente este tipo de recipiente es más que
el recipiente cerrado de una misma capacidad y construcción. La decisión de que
un recipiente abierto o cerrado es usado dependerá del
fluido a ser manejado y de la operación. Estos
recipientes son fabricados de acero,
cartón, concreto…. Sin embargo en los procesos
industriales son construidos de acero por su
bajo costo
inicial y fácil fabricación.

• RECIPIENTES CERRADOS: Fluidos combustibles o
  tóxicos o gases finos
  deben ser almacenados en recipientes cerrados. Sustancias
  químicas peligrosas, tales como ácidos o sosa
  cáustica son menos peligrosas si son almacenadas en
  recipientes cerrados.

• TANQUES CILINDRICOS DE FONDO PLANO: El diseño
  en el tanque cilíndrico vertical operando a la
  presión atmosférica, es el tanque
  cilíndrico con un techo cónico y un fondo plano
  descansando directamente en una cimentación compuesta de
  arena, grava o piedra triturada. En los casos donde se desea
  usar una alimentación de gravedad, el tanque es
  levantado arriba del terreno y el fondo plano debe ser
  incorporado por columnas y vigas de acero.

• RECIPIENTES CILINDRICOS HORIZONTALES Y VERTICALES CON
  CABEZAS FORMADAS: Son usados cuando la presión de vapor
  del líquido manejado puede determinar un diseño
  más resistente. Varios códigos han sido
  desarrollados o por medio de los esfuerzos del API y el ASME
  para gobernar el diseño de tales recipientes. Una gran
  variedad de cabezas formadas son usadas para cerrar los
  extremos de los recipientes cilíndricos. Las cabezas
  formadas incluyen la semiesférica, elíptica,
  toriesférica, cabeza estándar común y
  toricoidal. Para propósitos especiales de placas planas
  son usadas para cerrar un recipiente abierto. Sin embargo las
  cabezas planas son raramente usadas en recipientes
  grandes.

• RECIPIENTES ESFERICOS: El almacenamiento de grandes volúmenes bajo
  presiones materiales
  son normalmente de los recipientes esféricos. Las
  capacidades y presiones utilizadas varían grandemente.
  Para los recipientes mayores el rango de capacidad es de 1000
  hasta 25000 Psi (70.31 – 1757.75 Kg/cm²).

Y de 10 hasta 200 Psi (0.7031 – 14.06 Kg/cm²)
para los recipientes menores.

Cuando una masa dada de gas esta
almacenada bajo la presión es obvio que el volumen de
almacenamiento requerido será
inversamente proporcional a la presión de almacenamiento.

En general cuando para una masa dada, el recipiente
esférico es más económico para grandes
volúmenes y bajas presiones de
operación.

A presiones altas de operación de almacenamiento, el volumen de
gas es
reducido y por lo tanto en tipo de recipientes
cilíndricos es más económico.

TIPOS DE TAPAS DE RECIPIENTES BAJO PRESION
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.

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.

TAPAS TORIESFERICAS:

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 mts. (11.8 –
236.22 pulgs.).

TAPAS SEMIELIPTICAS:

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, su costo es
alto y en México se fabrican hasta un
diámetro máximo de 3 mts.

TAPAS SEMIESFERICAS:

Utilizadas exclusivamente para soportar presiones
críticas, como su nombre lo indica, su silueta describe
una media circunferencia perfecta, su costo es
alto y no hay límite dimensional para su
fabricación.

TAPA 80:10:

Ya que en México no se cuentan con prensas lo
suficientemente grande, para troquelar tapas
semielípticas 2:1 de dimensiones relativamente grandes,
hemos optado por fabricar este tipo de tapas, cuyas características principales son: El
radio de
abombado es el 80% de diámetro y el radio de
esquina o de nudillos es igual a el 10% del diámetro.
Estas tapas las utilizamos como equivalentes a la
semielíptica 2:1.

TAPAS CONICAS:

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.

TAPAS TORICONICAS:

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. Tiene las
mismas restricciones que las cónicas a excepción
de que en México no se pueden fabricar con un
diámetro mayor de 6 mas.

TAPAS PLANAS CON CEJA:

Estas tapas se utilizan generalmente para
presión atmosférica, su costo es
relativamente bajo, y tienen un límite dimensional de 6
mts. De diámetro máximo.

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.

CAPITULO II CRITERIOS DE
DISEÑO

MATERIALES PARA RECIPIENTES A
PRESION

ESPECIFICACIONES DE LOS ACEROS.

Los aceros al carbón y de baja aleación
son usualmente usados donde las condiciones de servicio lo
permitan por los bajos costos y la
gran utilidad de
estos aceros.

Los recipientes a presión pueden ser fabricados
de placas de acero
conociendo las especificaciones de SA-7, SA-113 C y SA-283 A,
B, C, y D, con las siguientes consideraciones:

1.- Los recipientes no contengan líquidos
ó gases
letales.

2.- La temperatura
de operación está entre -20 y
650°F.

3.- El espesor de la placa no exceda de
5/8"

4.- El acero sea
manufacturado por horno eléctrico u horno
abierto.

5.- El material no sea usado para calderas.

Uno de los aceros más usados en los
propósitos generales en la construcción de recipientes a
presión es el SA-283 C.

Estos aceros tienen una buena ductilidad, fusión
de soldadura y
fácilmente máquinables. Este es también
uno de los aceros más económicos apropiados para
recipientes a presión; sin embargo, su uso es limitado a
recipientes con espesores de placas que no excedan de 5/8" para
recipientes con un gran espesor de cascarón y
presión de operación moderadas el acero SA-285
C es muy usado. En el caso de presiones altas o
diámetros largos de recipientes, un acero de
alta resistencia
puede ser usado como el acero SA-212 B es conveniente para
semejantes aplicaciones y requiere un espesor de
cascarón de solamente de 790% que el requerido por el
SA-285 C. Este acero es también fácilmente
fabricado pero es más caro que otros aceros.

El acero SA-283 no puede ser usado en aplicaciones con
temperaturas sobre 650°F; el SA-285 no puede ser usado en
aplicaciones con temperaturas que excedan de 900°F, y el
SA-212 tiene muchos esfuerzos permisibles bajos en las
temperaturas más altas, por lo que el acero para
temperaturas entre 650 y 1000°F.

El acero SA-204, el cual contiene 0.4 a 0.6% de
molibdeno es satisfactorio y tiene buenas cualidades. Para
temperaturas de servicio
bajas (-50 a -150°F) un acero niquelado tal como un SA-203
puede ser usado. Los esfuerzos permisibles para estos aceros no
están especificados por temperaturas bajas de -20°F.
Normalmente el fabricante hace pruebas de
impacto para determinar la aplicación del acero y
fracturas a bajas temperaturas.

En la etapa de diseño de recipientes a
presión, la selección de los materiales
de construcción es de relevante importancia,
para lo cual necesitamos definir una secuencia lógica para la selección de
estos.

Así pues realizaremos un breve análisis de la filosofía a que
sigue la ASME, para seleccionar sus materiales y
por consiguiente para especificarlos como adecuados en la
construcción de los recipientes a
presión.

CLASES DE MATERIALES.

El código ASME indica la forma de suministro de
los materiales
más utilizados, lo cual va implícita en su
especificación. A continuación se dan algunos
ejemplos de materiales,
su especificación y forma de suministro. Ver tabla
USC-23.

Debido a la existencia de diferentes materiales
disponibles en el mercado, en
ocasiones no resulta sencilla la tarea de seleccionar el
material ya que deben considerarse varios aspectos como
costos,
disponibilidad de material, requerimientos de procesos y
operación, facilidad de formato, etc.

Así pues es necesario una explicación
más amplia acerca del criterio de la selección de
los materiales
que pueden aplicarse a los recipientes como:

ACEROS AL CARBON

Es el más disponible y económico de los
aceros, recomendables para la mayoría de los recipientes
donde no existen altas presiones ni temperaturas.

ACEROS DE BAJA ALEACION

Como su nombre lo indica, estos aceros contienen bajos
porcentajes de elementos de aleación como níquel,
cromo, etc. Y en general están fabricados para cumplir
condiciones de uso específico. Son un poco más
costosos que los aceros al carbón. Por otra parte no se
considera que sean resistentes a la corrosión, pero tienen mejor comportamiento en resistencia
mecánica para rangos más altos de
temperaturas respecto a los aceros al carbón.

En la tabla 3.1 se puede observar los aceros
recomendados para los rangos de temperatura
más usuales.

ACEROS DE ALTA ALEACION

Comúnmente llamados aceros inoxidables. Su
costo en
general es mayor que para los dos anteriores. El contenido de
elementos de aleación es mayor, lo que ocasiona que
tengan alta resistencia a
la corrosión.

MATERIALES NO FERROSOS

El propósito de utilizar este tipo de
materiales es con el fin de manejar sustancias con alto
poder
corrosivo para facilitar la limpieza en recipientes que
procesan alimentos y
proveen tenacidad en la entalla en servicios a
baja temperatura.

PROPIEDADES QUE DEBEN TENER LOS MATERIALES PARA
SATISFACER LAS CONDICIONES DE SERVICIO

PROPIEDADES MECANICAS.

Al considerar las propiedades mecánicas del
material es deseable que tenga buena resistencia a
la tensión, alto nivel de cedencia, por cierto de
alargamiento alto y mínima reducción de
área. Con estas propiedades principales se establecen
los esfuerzos de diseño para el material en
cuestión.

PROPIEDADES FISICAS.

En este tipo de propiedades se buscará que el
material deseado tenga coeficiente de dilatación
térmica.

PROPIEDADES QUIMICAS.

La principal propiedad
química
que debemos considerar en el material que utilizaremos en la
fabricación de recipientes a presión es su
resistencia a
la corrosión. Este factor es de
muchísima importancia ya que un material mal
seleccionado nos causará muchos problemas,
las consecuencias que se derivan de ello son:

1. Reposición del equipo corroído. Un
   material que no sea resistente al ataque corrosivo puede
   corroerse en poco tiempo de
   servicio.
2. Sobre diseño en las dimensiones. Para
   materiales poco resistentes al ataque corrosivo puede ser
   necesario dejar un excedente en los espesores dejando margen
   para la corrosión, esto trae como consecuencia
   que los equipos resulten más pegados, de tal forma que
   encarecen el diseño además de no ser siempre la
   mejor solución.
3. Mantenimiento preventivo. Para proteger los equipos
   del medio corrosivo es necesario usar pinturas
   protectoras.
4. Paros debido a la corrosión de equipos. Un recipiente a
   presión que ha sido atacado por la corrosión necesariamente debe ser
   retirado de operación, lo cual implica las
   pérdidas en la producción.
5. Contaminación o pérdida del producto.
   Cuando los componentes de los recipientes a presión se
   han llegado a producir perforaciones en las paredes
   metálicas, los productos de
   la corrosión contaminan el producto, el
   cual en algunos casos es corrosivo.

SOLDABILIDAD.

Los materiales usados para fabricar recipientes a
presión deben tener buenas propiedades de soldabilidad,
dado que la mayoría de los componentes son de construcción soldada. Para el caso en que
se tengan que soldar materiales diferentes entre él, estos
deberán ser compatibles en lo que a soldabilidad se
refiere. Un material, cuando más elementos contenga,
mayores precauciones deberán tomarse durante los procedimientos de
soldadura, de
tal manera que se conserven las características que proporcionan los
elementos de aleación.

EVALUACION DE LOS MATERIALES
SUGERIDOS

• Vida estimada de la planta
• Duración estimada del material
• Confiabilidad del material
• Disponibilidad y tiempo de
  entrega del material
• Costo del material
• Costo de mantenimiento e inspección

• Para espesores mayores de 51 mm llevarán
  relevado de esfuerzos.

+ Para temperaturas de -20°F llevará relevado
de esfuerzos.

TABLA 3.1

ACEROS RECOMENDABLES PARA DIFERENTES
TEMPERATURAS

CONSEPTO DE ESFUERZO
ADMISIBLE

• ESFUERZOS ADMISIBLES

Son los grados de exactitud con los cuales las cargas
pueden ser estimadas, la confiabilidad de los esfuerzos
estimados para estas cargas, la uniformidad del material, el
peligro a la falla ocurre y en otras consideraciones
como:

Esfuerzos locales con concentración de
esfuerzos, fatiga y corrosión.

Para materiales que sean sometidos a temperaturas
inferiores al rango de termofluencia los esfuerzos admisibles
se pueden considerar con el 25% de la resistencia a
la tensión o el 62.5% de la resistencia a
la cedencia a la temperatura
de operación. Los materiales usados para anclaje en el
rango de temperatura
de -20 a 400°F (-28.88 a 204.44°C) se considera que es
un 20% de la resistencia a
la cedencia.

El porcentaje de resistencia a
la cedencia usando como esfuerzo admisble es controlado por un
número de factores tales como la exactitud con la cual
la carga de confiabilidad de los esfuerzos con frecuencia se
usa un esfuerzo admisible para aceros estructurales.

Adm.= Sy ó adm= 2 Sy

2 3

FILOSOFIA DE
DISEÑO

En general los recipientes a presión
diseñados de acuerdo con el código ASME Secc.
VIII Div. 1. son diseñados por reglas que no requieren
una evaluación detallada de todos los
esfuerzos. Se reconoce que existen esfuerzos secundarios
elevados flexionantes pero al admitir un factor elevado de
seguridad y
las reglas del diseño, estos esfuerzos serán
compensados como regla general cuando se realiza un análisis mas detallado de esfuerzos
permiten considerar esfuerzos admisibles mayores en lugar de
usar un factor de seguridad
elevado como el utilizado en el código. Un factor de
seguridad
elevado refleja una falta de conocimiento
de los esfuerzos reales.

El diseñador debe de familiarizarse con los
diversos tipos de esfuerzos y cargas para lograr un
diseño económico y seguro.

CATEGORIAS DE
EXPOSICION

Zona A

Para grandes ciudades donde por lo menos el 50% de los
edificios excede a 70' pies de altura.

Zona B

Areas urbanas suburbanas y boscosas.

Zona C

Para terreno abierto como terracerias donde cualquier
obstrucción sea menor a 30' pies.

Zona D

Para áreas costeras, planas, incluye aquellas
áreas localizadas como mínimo a 10 veces la altura
de la estructura.

CATEGORIAS DE FALLAS TIPODE FALLAS –
CARGAS

Categorías de fallas

1. Material
2. Diseño
3. Fabricación
4. Servicio

1. Letal
2. Fatiga (cíclica)
3. Fragilidad
4. T elevada
5. Elevado choque o vibración
6. Contenido del recipiente

1. Hidrogeno 3.
Aire
comprimido

2. Amoniaco 4. Sosa cáustica

5. Cloruros

Tipo de fallas

1. Deformación Elástica
2. Fractura por Fragilidad
3. Deformación Plástica
4. Inestabilidad Plástica
5. Corrosión

Tipo de Cargas

Estable e Inestable

Cargas Estables

2. Presión
3. Peso propio
4. Carga de viento
5. Fluido
6. Escaleras, plataformas
7. Carga térmica

Cargas Inestables

1. Prueba Hidrostática
2. Sísmica
3. Transporte
4. Arranque y paro de equipo
5. Carga térmica
6. Montaje
7. Emergencia

CRITERIOS DE DISEÑO EN
RECIPIENTES

Las unidades de equipo de proceso pueden
fallar en servicio por
diversas razones. Las consideraciones por tipo de falla que pueda
presentarse es uno de los criterios que deben usarse en el
diseño de equipo. La falla puede ser el resultado de una
deformación plástica excesiva o elástica o
por termofluéncia (creep). Como un resultado de tal
deformación el equipo puede fallar al no realizar su
función especifica sin llegar a la ruptura.

Las fallas pueden clasificarse:

• Deformación Elástica
  excesiva
• Inestabilidad elástica, Inestabilidad
  plástica,

Ruptura por fragilidad, Termofluéncia o Corrosión.

La Inestabilidad Elástica

Es un fenómeno asociado con las estructuras
que tienen limitada su rigidez y están sujetas a
compresión, flexión, torsión,
combinación de tales cargas. La inestabilidad
elástica es una condición de la cual la
inestabilidad elástica es una condición en la cual
la forma de la estructura es
alterada como resultado de rigidez insuficiente.

Inestabilidad plastica

El criterio de mayor uso para el diseño de equipo
es aquel que mantiene los esfuerzos inducidos dentro de la
región elástica del material de construcción con el fin de evitar la
deformación plástica como resultado de exceder el
punto de cedensia.

Sadm = Su ; Sadm = Sy

Fs Fs

Fs = 4 (ASME)

Para controlar la presión en el recipiente nos
ayuda la válvula de alivio.

Paj = Pop + 0.1 Pop = 1.1Po

MAWP = Máxima P de Trabajo Adm. Mop = Max P de
Op.

MOP < 10 a 20% de MAWP

S = Esfuerzo

F = Deformaciones

Sy = Esfuerzo de cedencia

Su = Esfuerzo ultimo

S

Sy

F

Fragilidad

En los recipientes se producen cambios críticos
en las propiedades físicas del material del recipiente
durante el servicio; uno
de estos con frecuencia encontrado es el hidrogeno el
cual bajo la acción de elevada presión y/o elevada
temperatura
produce dos efectos:

1.- Una difusión es el material produciendo una
combinación en su forma molecular dentro del metal de
manera que al estar el recipiente sometido a elevadas presiones
la superficie se combina ó se producen
ampollas.

2.- Una perdida de carbono, este
ataque es ocasionado por la formación de metano resultando
en la creación de fisuras con la consecuente
pérdida de resistencia y
dureza, con lo que se aumenta la ductibilidad del metal,
presentándose una falla por fragilidad.

Esto es más frecuente en aceros con mayor nivel
de resistencia, lo
mismo que con la presencia de boquillas u otras fuentes de
concentración de esfuerzos.

Los aceros más usados para este tipo de servicios son
los aceros al cromo – molibdeno.

Termofluencia

Nos indica que a temperaturas elevadas la
deformación inelastica del material en función del
tiempo es
definida como la CREEP.

El cromo, molibdeno y el níquel son los elementos
adecuados de aleación para servicios de
alta temperatura.

Fatiga

La falla a la fatiga se presenta por la
aplicación repetida de pequeñas cargas, las cuales
por si mismas son incapaces de producir deformación
plástica que pueda detectarse con el tiempo, estas
cargas hacen que se habrá una grieta y que se propague a
través de la pieza; ocurre la intensificación de
los esfuerzos y por ultimo, resulta una fractura frágil y
repentina. Los metales ferrosos y sus
aleaciones
tienen un valor
límite de esfuerzos repentinos, los cuales pueden
aplicarse e invertirse para un gran número no definido de
ciclos sin que se causen fallas. Este esfuerzo se llama
límite de fatiga.

Esfuerzo Admisible

El porcentaje de resistencia a la
cedencia usado como esfuerzo admisible es controlado por un
numero de factores tales como la exactitud con la cual las cargas
pueden ser estimadas, la confiabilidad de los esfuerzos
calculados para esas cargas, la uniformidad del material, el
peligro si la falla ocurre y otras consideraciones como
concentración de esfuerzos, impacto, fatiga y corrosión.

TEORIA DE LA MEMBRANA MODIFICADA POR
LA ASME

A continuación se harán algunas
transformaciones de la siguiente ecuación.

De la siguiente ecuación se tiene:

St = a² Pi . (1 + b²)

b² – a² r²

Sabemos que el Stmax se presenta cuando r = a por otra
parte b/a = K; entonces:

St = Pi ( a² ) (1 +
b²)

b² – a² a²

St = Pi ( 1 ) ( K² + 1 )

b² – a²

a²

St = K² + 1

K² – 1

En la ecuación St = Pi r pero t = b – a y
r = a

T

Por lo tanto: St = Pi a ; St = Pi 1

K – 1

Hay una diferencia que existe entre las dos
fórmulas, esto ocurre debido a que la fórmula de la
membrana en la relación t – D (espesor – diámetro)
debe ser menor que 0.1, con el fin de acercarnos a la
solución lineal aplicada a la ecuación de la
membrana considerando:

St = 1 + 0.6

Pi K – 1

Que es la formula de la ecuación de la membrana
modificada por la ASME.

St = 1 + 0.6 ; t = Pi r

Pi t St – 0.6 Pi

Si se incluye la corrosión permisible "c" y el factor de
eficiencia de
junta soldada "Eo", la ecuación será:

T = Pi r + C

St Eo – 0.6 Pi

Si al St lo limitamos al esfuerzo permitido del material
S; entonces:

T = Pi r + C

S Eo – 0.6 Pi

Esta ecuación es la que se especifica en el
código con:

Eo = 1 Para radiografiado total

Eo = 0.85 Para radiografiado por puntos.

Eo = 0.70 Para equipo sin radiografiado.

Existen restricciones adicionales para el uso de la
ecuación

• Cuando el valor de la
  presión exceda de 0.385 S Eo
• Cuando el espesor excede a la mitad del radio
  interior.

En la figura siguiente se muestra las
curvas obtenidas al diseñar recipientes con diferentes
criterios de fallas.

Como se ve la solución más conservadora
es la ecuación de Lame seguida por la ASME.

TIPOS DE CARGAS

CATEGORIA DE CARGAS

1.- CARGAS GENERALES.

Carga Por Compresión:

Presión interna, presión externa,
presión de vació, presión de prueba,
presión hidrostática, presión de
diseño y presión de operación.

Cargas por momento:

Sismo, montaje, transporte,
etc.

Cargas de tensión:

Compresión, peso propio, equipo instalado,
plataforma, tubería, escalera.

Cargas térmicas:

Viento, sismo, etc.

2.- CARGAS LOGICAS.

• Radial
• De corte
• De tensión
• Tangencial
• De momento
• Térmicas

3.- CARGAS ESTABLES.

• Por presión
• Por peso propio
• Por contenido
• Por tubería y equipo
• Por soporte
• Térmicas
• Por viento

4.- CARGAS INESTABLES.

• Por prueba hidrostática
• Por sismo
• Montaje
• Por transportación
• Térmica
• Arranque y paro

DISCONTINUIDAD

DILATACION

CRECIMIENTO RADIAL

ANÁLISIS DE DISCONTINUIDAD

CÁLCULOS

DISCONTINUIDAD

Discontinuidad de esfuerzos en recipientes

Las deformaciones diferenciales ocasionadas por los
esfuerzos de membrana, de magnitud variable, a través del
recipiente, puede también ocasionar flexión en la
pared y aún cuando estos esfuerzos flexionantes son
locales pueden ser elevados en magnitud.

En la unión cabeza – envolvente, se presente esta
discontinuidad debido a que el crecimiento radial en la parte
cilíndrica del recipiente no es la misma que en la cabeza
cuando el recipiente está presurizado. Esta es la
razón por la cual las tapas o cabezas se suministran con
una ceja (Sf).

La tendencia de la cabeza elíptica a deformarse
hacia adentro en la unión bajo presión, da como
resultado una fuerza de
corte radial hacia el interior del cuerpo, esta fuerza se
opone a la presión interna que actúa en dirección opuesta a la envolvente en la
unión.

Para reducir los esfuerzos locales, se pueden tomar en
cuenta las siguientes consideraciones:

1. Incrementar el tamaño de la ceja
2. Cambiar de forma los esfuerzos
3. Incrementar el espesor localmente de la
   envolvente
4. Adicionar anillos de refuerzo en forma
   parcial

DEFORMACION EN LA PARTE
CILINDRICA

DATOS DE DISEÑO

d c =
Dilatación del cuerpo (pulg)

P = Presión de diseño(psi)

Ri = Radio interior
del cuerpo(pulg)

E = Modulo de elasticidad del
material del cuerpo(psi)

T = Espesor del cuerpo(pulg)

m = Modulo de
poisson (acero)

DONDE:

d c = / (2-m )

P = 163.85 psi

Ri = 104.33 pulg

E = 30×10

m = 0.3

t = 1.125

d c = = 0.449 pulg

DILATACIÓN QUE SUFREN LAS
TAPAS

DATOS DE DISEÑO

d e =
Dilatación de la tapa (pulg)

P = Presión de diseño(psi)

Ri = Radio interior de
la tapa(pulg)

E = Modulo de elasticidad del
material

a = Eje mayor de la tapa

b = Eje menor de la tapa

m = Modulo de
possion

DONDE :

d e = tE

P = 163.85 psi

Ri = 104.33 pulg

E = 30×10

m = 0.3

a = 104.33 pulg

b = 52.16 pulg

d e==-0.06 pulg

DEFORMACION
TOTAL

d =
d c –
d e = 0.0449
–(-0.06) = 0.1049 pulg

ESFUERZO LONGITUDINAL

S = ( +
)
(Bb
x)

b = = 0.104

=
= 7597.5
psi

=
= 10099.23
psi

x =2,4,10,16

Bb x =
e-0.104(2) Sen (0.104)(2) =0.0029

Bb x =
e-0.104(4) Sen (0.104)(4) =0.0047

Bb x =
e-0.104(10) Sen (0.104)(10) =0.0064

Bb x =
e-0.104(16) Sen (0.104)(16) =0.0054

S = 7597 + (10099.23)(0.0029) = 7626.28

S = 7597 + (10099.23)(0.0047) = 7644.46

S = 7597 + (10099.23)(0.0064) = 7661.63

S = 7597 + (10099.23)(0.0054) = 7651.53

ESFUERZO
CIRCUNFERENCIAL

S = +
+

=
=
15195.08

y =

k = =
=
3100.6

Db x =
e-0.104(2) Cos (0.104)(2) = 0.812

Db x =
e-0.104(4) Cos (0.104)(4) = 0.659

Db x =
e-0.104(10) Cos (0.104)(10) = 0.353

Db x =
e-0.104(16) Cos (0.104)(16) = 0.189

y = (2(163.85)/3100.6) / (0.104)(0.812)
=0.0089

y = (2(163.85)/3100.6) / (0.104)(0.659)
=0.0072

y = (2(163.85)/3100.6) / (0.104)(0.353)
=0.0038

y = (2(163.85)/3100.6) / (0.104)(0.189)
=0.0020

=

(30×106)(0.0089)(2) / 163.85 =
3259

(30×106)(0.0072)(4) / 163.85 =
5273

(30×106)(0.0038)(10) / 163.85 =
6957

(30×106)(0.0020)(16) / 163.85 =
5859

M = –

M = -(163.85 / 0.104) (0.0029) = -4.56

M = -(163.85 / 0.104) (0.0047) = -7.40

M = -(163.85 / 0.104) (0.0064) = -10.08

M = -(163.85 / 0.104) (0.0054) = -8.50

6 (0.3)(-4.56)(2) / (1.125) = -14.59

6 (0.3)(-7.40)(4) / (1.125) = -47.36

6 (0.3)(-10.08)(10) / (1.125) = -161.28

6 (0.3)(-8.50)(16) / (1.125) = -217.6

S = 15195.08 + 3259 + (-14.59) = 18439.5 psi

S = 15195.08 + 5273 + (-47.36) = 20420 psi

S = 15195.08 + 6957 + (-161.28) = 21990 psi

S = 15195.08 + 5859 + (-217.6) = 20836 psi

Autor:

Isaias Cruz