Cálculo de espesor de pared de tubería con ejemplo (Con PDF)

El cálculo del espesor de pared mínimo de un diámetro de tubería dado y la selección del espesor real es una de las consideraciones básicas de diseño más importantes para cualquier proyecto de tubería. Esta es una de las actividades básicas que se realiza en las etapas iniciales de cualquier proyecto de diseño detallado . En este artículo, se explicará la metodología de cálculo del espesor de la pared de la tubería para una tubería de líquido de 10 pulgadas de diámetro (API 5L-Gr X52, 10,75 pulgadas de diámetro exterior, presión de diseño = 78 bar-g, temperatura de diseño = 60 °C) con un ejemplo de ejemplo.

Criterios para el Cálculo del Espesor Mínimo de la Pared de la Tubería

El espesor de la pared de la tubería de la línea CS se calculará en función de la tensión circunferencial admisible debida a la presión interna. De acuerdo con ASME B31.4, cláusula 403.2.1, el espesor de pared nominal de secciones rectas de tubería de acero debe ser igual o mayor que tn determinado de acuerdo con lo siguiente

Ecuación: tn ≥ t + A

Aquí

  • A: suma de tolerancias para roscado, ranurado, corrosión y erosión y un aumento en el espesor de la pared si se usa como medida de protección
  • tn: espesor de pared nominal que satisface los requisitos de presión y tolerancias
  • t: espesor de pared de diseño de presión calculado en pulgadas (milímetros)

El espesor de la pared de la tubería de línea (t) para soportar la presión de diseño interna se calcula de la siguiente manera:

t = P * D / (2 * F * S * E)

Dónde

  • t : Espesor de pared calculado (mm)
  • P : Presión de diseño de la tubería (kPa)=78 bar-g=7800 KPa
  • D : Diámetro exterior de la tubería (mm)= 273,05 mm
  • F : Factor de diseño = 0,72
  • S : Límite elástico mínimo especificado (MPa) = 359870 KPa para el material especificado.
  • E : Factor de junta longitudinal = 1.0

Por lo tanto, espesor de pared calculado (t, mm) = (7800*273,05)/ (2*0,72*359870*1) = 4,10

Si la suma de tolerancias para roscado, ranurado, corrosión y erosión y un aumento en el espesor de la pared si se usa como medida de protección = 0,3 mm

Entonces, el espesor de pared nominal que satisface los requisitos de presión y tolerancias = 4,1 + 0,3 = 4,4 mm.

Por lo tanto, cualquier espesor disponible superior a 4,4 mm se puede utilizar como espesor seleccionado.

Espesor de la pared de la tubería
Espesor de la pared de la tubería

Ahora, varias organizaciones tienen sus propias pautas para la selección del espesor mínimo teniendo en cuenta la rigidez de la tubería, el soporte, la manipulación, la flexión en el campo y otros aspectos relacionados con la construcción y la integridad in situ de la tubería, y es necesario verificarlos. En base a esto, es necesario realizar algunas comprobaciones antes de decidir el espesor final de la pared. Estos se enumeran a continuación:

Pocas organizaciones limitan el uso de tubería de línea metálica con un espesor inferior a 4,8 mm. Por lo tanto, 4,8 mm será el espesor seleccionado.

La relación entre el diámetro y el espesor de la pared no debe exceder 96 para tuberías metálicas para algunas organizaciones. Aquí D/T=273.05/4.8=56.88.

Comprobación de colapso de vacío completo

Según algunas organizaciones, el colapso debido a condiciones de vacío se debe tener en cuenta en el diseño de todas las tuberías, incluso cuando no se espera que ocurran condiciones de vacío en servicio.

Los cálculos se realizan de acuerdo con el código de recipientes a presión ASME Sección VIII, DIV 1, UG-28. Todos los cálculos de colapso por vacío se llevan a cabo con espesor de pared nominal excluyendo el margen de corrosión.

Según UG 28 (f) de ASME sección VIII, el espesor de pared de la tubería seleccionado será seguro para vacío total, si es capaz de soportar una presión externa neta de 1,01325 bar (15 psi).

Ahora, siguiendo las ecuaciones y gráficos de UG 28, calcule la presión de trabajo externa permitida. Si la presión de trabajo externa permitida es mayor que la presión externa de diseño (es decir, 1,01325 bar), entonces el espesor seleccionado es satisfactorio.

Comprobación de tensión equivalente

Los cálculos de tensiones equivalentes deben realizarse según ASME B31.4.

El espesor de pared inicialmente derivado de las consideraciones de tensión circunferencial basadas en factores de diseño, debe ser tal que las tensiones longitudinales, de corte y equivalentes en la pared de la tubería bajo cargas funcionales y ambientales no excedan ciertos valores. Esto está cubierto en el Artículo 402 de ASME B31.4 y en el Artículo 833 de ASME B31.8. Debido a que los requisitos en estos diversos artículos difieren entre sí, se recomienda utilizar un enfoque único para todas las tuberías como se detalla a continuación.

La tensión equivalente se puede definir de la siguiente manera:

Seq = (Sh 2 + SL 2 – ShSL+ 3Ss 2 ) 1/2 (ecuación de Von Mises)

  • Seq = tensión equivalente
  • Sh = tensión circunferencial (debido a la presión)
  • SL = esfuerzo longitudinal (debido a la presión, expansión térmica y flexión)
  • Ss = esfuerzo cortante combinado (debido al par y al esfuerzo cortante)

Los cálculos de tensión para la fase operativa se realizarán con el espesor de pared nominal excluyendo la tolerancia por corrosión. La tensión equivalente no debe exceder los valores que se dan a continuación:

Límites de tensión equivalente permisible
Límites de tensión equivalente permisible

Verificación de criterios de adelgazamiento de la pared de la tubería

Los cambios de dirección se pueden realizar doblando en frío la tubería o instalando codos o codos hechos en fábrica. La flexión de la tubería resultará en un adelgazamiento significativo de la pared. Por lo tanto, el espesor de pared de las curvas terminadas, considerando el adelgazamiento de la pared en el radio exterior, no debe ser menor que el espesor de pared calculado para la tensión circunferencial. Los cálculos de adelgazamiento de paredes deben realizarse de acuerdo con BS 8010.

Según BS 8010; Se puede calcular una indicación del adelgazamiento de la pared como porcentaje usando la siguiente ecuación:

t(delgado) =50/(n+1)

Esta fórmula no tiene en cuenta otros factores que dependen del proceso de doblado, y se debe consultar al fabricante del doblado cuando el adelgazamiento de la pared sea crítico.

Aquí, n = radio de curvatura interior (Ri) dividido por el diámetro exterior de la tubería (D) para fórmulas de adelgazamiento de paredes

Ri=Radio de curvatura interior=(Radio de curvatura*OD)-(OD/2)

El valor del adelgazamiento por curvatura será inferior al 2,5 %.

Comprobación de tensión de tuberías

La deformación inducida en una tubería al doblarla a lo largo de un radio R es = (DE de la tubería)/2R (Radio de curvatura), la deformación por flexión permanente debe estar dentro del 2 %.

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