Bucles de expansión en sistemas de tuberías o tuberías (PDF)

¿Por qué necesitamos bucles de expansión de tuberías?

Todos los ingenieros de tuberías están bien familiarizados con los bucles de expansión en los sistemas de tuberías. Siempre que los desplazamientos térmicos superen un cierto valor, estos bucles de expansión se añaden para absorber el desplazamiento dentro del bucle de expansión . Estos se requieren principalmente en cualquier diseño de sistema de tuberías para

  • Reducir el estrés del sistema y
  • Limitar los desplazamientos térmicos

Los bucles de expansión de tuberías se utilizan para aumentar la flexibilidad del sistema de tuberías. Para reducir la tensión de expansión generada y el desplazamiento causado por la expansión o contracción térmica, se proporcionan tramos perpendiculares al sistema de tuberías principal. Esta longitud perpendicular se conoce como la longitud del bucle de expansión. Cuanto mayor sea la longitud de este tramo de bucle de expansión, mejor para el sistema de tuberías. Pero la longitud de esta pierna está limitada por la viabilidad del soporte, la tendencia a la vibración y el costo. Esa es la razón por la que la longitud de la rama absorbente en un bucle de expansión se decide solo para cumplir con el requisito de calificación de tensión.

Los bucles de expansión de tuberías se utilizan ampliamente en tramos largos de tuberías que se extienden sobre bastidores o traviesas de tuberías. Los bucles de expansión de tuberías generalmente se proporcionan cada 500 m de longitud, ya que la temperatura de diseño de las tuberías suele ser menor en comparación con los sistemas de tuberías.

La figura 1 muestra bucles típicos utilizados en el sistema de tuberías.

Bucles de expansión
Fig. 1: Bucles de expansión típicos

Funciones de los bucles de expansión de tuberías

Los bucles de expansión sirven para varios propósitos, como se indica a continuación:

  • Los bucles de expansión de tuberías proporcionan el tramo de tubería necesario en una dirección perpendicular para absorber la expansión térmica. Son seguros en comparación con las juntas de expansión, pero ocupan más espacio.
  • La carga debida a la expansión axial hace que se desarrollen esfuerzos de flexión, aumentando hacia arriba en las tuberías verticales y alcanzando un máximo en los codos del bucle.
  • Ese momento de flexión permanece en ese nivel máximo de momento de flexión en toda la longitud de la tubería horizontal superior hasta que llega al siguiente codo y comienza a reducirse hasta que llega a la tubería inferior en el otro lado del bucle.
  • A medida que aumenta la altura del bucle, se reducen tanto la tensión axial resultante en las tuberías horizontales como los momentos de flexión en el bucle.

Tipos de bucles de expansión de tuberías

Los bucles de expansión de tuberías se clasifican en diferentes estilos:

Bucle simétrico vs Bucle no simétrico (Fig. 2):

Idealmente, los bucles deben ubicarse centrados entre anclajes con patas iguales a cada lado del anclaje. Los bucles simétricos son ventajosos para absorber una cantidad igual de expansión en ambas direcciones.

Cuando esto no sea práctico, haga que las patas a cada lado del ancla sean lo más iguales posible.

Las fuerzas de fricción están determinadas por el número de tuberías que soportan un cruce de línea. Al igualar estas piernas, las fuerzas en el ancla deben permanecer casi equilibradas.

Bucles simétricos y no simétricos
Fig. 2: Bucles simétricos y no simétricos

Bucles de expansión 2-D vs 3-D (Fig. 3)

Los bucles de expansión pueden ser del tipo 2D (bucle bidimensional) o 3D (bucle tridimensional). Normalmente, para líneas de vapor, líneas de antorcha, líneas de condensado, líneas inclinadas, donde existe la posibilidad de flujo bifásico, se prefieren los bucles de expansión 2-D. De lo contrario, se puede proporcionar el bucle 3-D.

Bucles 2-D vs 3-D.
Fig. 3: Bucles 2-D vs 3-D.

Requisitos de bucles de expansión múltiples

Es posible que se requiera más de un bucle de expansión cuando:

  1. Es imposible hacer que las conexiones de derivación sean lo suficientemente flexibles.
  2. El espacio entre ramales y líneas vecinas o acero es limitado.
  3. Cuando el bucle se vuelve demasiado grande para soportarlo o caber en el espacio disponible.
  4. Las fuerzas de anclaje se desequilibran demasiado y el acero no se puede arriostrar económicamente.
  5. Puede ser necesario más de un bucle de expansión cuando las fuerzas necesarias para doblar el bucle son demasiado grandes y los anclajes no pueden reforzarse económicamente.
  6. Cuando los desplazamientos térmicos superen los desplazamientos permitidos específicos del proyecto.
  7. Cuando la longitud de los soportes del zapato debido al alto desplazamiento térmico se vuelve demasiado alta, parece extraño.
Bucles de expansión múltiples en un sistema de tuberías
Fig. 4: Bucles de expansión múltiples en un sistema de tuberías

Colocación de bucles de expansión/ Ubicaciones de bucles de expansión

  1. El ancho del bucle siempre debe basarse en la utilización de soportes existentes.
  2. Se debe permitir la expansión térmica al espaciar bucles adyacentes.
  3. El ancho del bucle no tiene que estar cerca de los 20 pies solo porque los nomógrafos del bucle usan ese número. El ancho del bucle solo tiene un efecto secundario en los resultados.
  4. La altura mínima del bucle depende del atraque de la línea con respecto a la ubicación del soporte del bucle.
  5. Los bucles de expansión de tuberías no pueden extenderse demasiado más allá del soporte existente o el voladizo hará que el bucle “pierda su equilibrio”. Esto establece la altura de bucle máxima permitida.
  6. Los dos primeros puntos tienen más influencia en el diseño del bucle que las fórmulas de tensión, desde el punto de vista de la tubería.
  7. Los bucles de expansión tridimensionales se utilizan mucho porque esta disposición no bloquea el enrutamiento de las líneas de baja temperatura debajo del bucle.
  8. Los bucles verticales se colocan en los cruces de carreteras y, a veces, se ubican de forma asimétrica debido a la ubicación de la carretera.

Método para dimensionar bucles de expansión de tuberías

Fije las líneas cerca de su centro para determinar qué líneas requieren bucles comprobando la expansión permitida en cada extremo del tramo. Si el desplazamiento térmico en cada extremo está dentro del límite específico del proyecto y no chocará con otras líneas, no se requerirá un bucle de expansión. Sin embargo, si el espacio entre líneas no se puede ajustar para tomar el movimiento, se deben agregar bucles de expansión.

Determine cuál de las líneas que requieren bucles necesita el bucle más grande, el segundo más grande, etc., de la siguiente manera:

  • Multiplique la expansión total de cada línea entre sus anclajes propuestos por el momento de inercia de la tubería (E). (La rigidez de una línea se mide por su “Momento de inercia”).
  • La línea con el mayor de estos números calculados requerirá el bucle más grande, el siguiente número más pequeño, el siguiente bucle más pequeño, etc.
  • La regla anterior no verifica el estrés. Esto se verifica después de que los bucles se dimensionan aproximadamente.

Instale los bucles de expansión entre dos soportes de tubería utilizando el espacio mínimo más el margen para la expansión y la curvatura de la línea. Haga los bucles lo más anchos posible, pero mantenga la altura al mínimo. Si la tensión o la fuerza son extremadamente altas, verifique con el ingeniero de tensión la altura del bucle.

Envíe el camino de la tubería terminada a la tensión para un cálculo preciso de las fuerzas de anclaje para transferir a la evaluación estructural y precisa de las tensiones en la tubería.

Estimación del requisito de tramo de bucle de expansión / Calculadora de bucle de expansión

Se puede hacer una estimación preliminar del requerimiento del tramo absorbente del bucle de expansión a partir de las ecuaciones derivadas del método del voladizo guiado . Según esa fórmula, el tramo de absorción requerido, L (consulte la Fig. 5) para el circuito de expansión de la tubería viene dado por

L=√(3ED∆/S)

donde E=módulo de elasticidad, D=DE de la tubería, S=esfuerzo admisible a la temperatura máxima y ∆=expansión térmica.

Requisito de pierna de bucle de expansión de tubería
Fig. 5: Requisito de ramal de bucle de expansión de tubería

Proporcionar un bucle de expansión en un sistema de tuberías requiere espacio adicional y codos adicionales (costo adicional), lo que puede no ser posible en algunos casos. En tal escenario, las juntas de expansión de tuberías se utilizan para absorber el crecimiento térmico.

Creé una calculadora de bucle de expansión para el tamaño preliminar del bucle utilizando la fórmula mencionada anteriormente que se puede descargar haciendo clic aquí .

Descarga de calculadora de bucle de expansión de tuberías

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