Cálculo del espesor de tubería según ASME B31.3 | Calculadora de espesor de tubería (con PDF)

El cálculo del espesor de la pared de la tubería es una de las actividades básicas importantes para todo ingeniero de tuberías. Las plantas de proceso se ocupan de los fluidos que fluyen dentro de la tubería a alta presión y temperatura. Por lo tanto, la tubería se enfrenta a una alta presión circunferencial que puede provocar la ruptura de la tubería si el grosor de la tubería no es suficiente. Por lo tanto, los diseñadores deben averiguar el grosor de tubería requerido según la sección “304.1.2 de ASME B31.3” para resistir la presión de la línea interna. La operación debe ser libre de fugas.

En este artículo, he simplificado el procedimiento de cálculo del espesor de la tubería . Se analiza un problema de cálculo de espesor de pared de tubería de muestra y se mencionan los pasos de cálculo. El código de tuberías de proceso ASME B 31.3 se utiliza como base para el cálculo del espesor de la tubería .

¿Por qué es importante el cálculo del espesor de la tubería?

El espesor mínimo requerido de una tubería debe ser calculado para asegurar

  • La tubería seleccionada podrá soportar la presión a la temperatura de diseño sin fallar.
  • Para evitar ser demasiado conservador y así optimizar costes.

Se requieren algunos puntos importantes para el cálculo del espesor de la tubería

Antes de comenzar el cálculo del espesor de la tubería , el ingeniero debe tener en cuenta los siguientes puntos:

  • Las plantas de proceso están diseñadas para 20 años o 7200 ciclos. (Considerando 1 ciclo por día; Número total de ciclos en 20 años=20*360=7200 ciclos)
  • La presión y la temperatura pueden variar de una línea a otra y de vez en cuando.
  • El fluido podría ser corrosivo y tóxico en el sistema.
  • El margen de corrosión para el material de la tubería se decide en función del fluido de servicio. Los valores típicos son 3 mm para acero al carbono y cero mm para acero inoxidable.
  • La tolerancia del molino para la tubería sin costura es 12.50% y 0.3 para la tubería soldada.

¿Cómo calculo el espesor de la tubería?

Consideremos los siguientes detalles para el cálculo del espesor de una tubería de acero al carbono sin soldadura.

  • MOC (Material de Construcción) de la tubería – A106 Gr. B
  • NPS (Tamaño nominal de la tubería) – 4”
  • Tipo de fabricación de la tubería (SMLS, EFW, ERW) – Sin costura (SMLS)
  • Presión de diseño (PSI) – 1200 PSIG
  • Temperatura de diseño: 500 °F
  • Tolerancias mecánicas, corrosión y erosión – 3 mm
  • Tolerancia del molino: 12,50 % del espesor

Fórmula de cálculo del espesor de la pared de la tubería | Ecuación para el cálculo del espesor de tubería

Según la cláusula 304.1.2 (a) de ASME B 31.3, el espesor de diseño de presión interna para tuberías rectas con t<D/6 se puede calcular utilizando la siguiente fórmula (Ecuación (3a):

Ecuación de espesor de diseño de presión interna según ASME B 31.3
Fig. 1: Ecuación de espesor de diseño de presión interna según ASME B 31.3

Aquí,

P: Presión manométrica de diseño interno = 1200 PSIG según la definición del problema

D: Diámetro exterior de la tubería

La ecuación para el espesor de la pared de la tubería se basa en el diámetro exterior de la tubería, en lugar del diámetro interior. Esto se debe a que el diámetro exterior de la tubería es constante, es independiente del espesor de la pared. Por lo tanto, el espesor de la pared de la tubería se puede calcular fácilmente usando el diámetro exterior de la tubería.

El diámetro exterior debe tomarse de los siguientes estándares:

  • ASME B36.10M: para acero ferrítico (tuberías de acero forjado sin costura y soldadas).
  • ASME B36.19M: para acero austenítico (tubos de acero inoxidable)
Diámetro exterior de tubería de ASME B 36.10M
Fig. 2: Diámetro exterior de tubería de ASME B 36.10M

De la Fig. 2, D= 114,3 mm

S: valor de tensión admisible del material de la tubería (A 106-B) a la temperatura de diseño ( 500 °F )

Consulte la Tabla A-1 (o la Tabla A-1M) de ASME B31.3 (Fig. 3) para obtener el valor de la tensión admisible. Recorra en la dirección horizontal (x) para el valor de tensión permisible y en la dirección vertical (y) para el material de la tubería, y el punto de coincidencia para obtener el valor (consulte la Fig. 3). Si es necesario, utilice la interpolación para calcular el valor medio.

Nota: el valor de la tensión admisible en la Tabla A-1 se da en KSI, por lo que necesitamos convertir el valor en PSI.

Valor de tensión admisible de la Tabla A-1 de ASME B31.3
Fig. 3: Valor de tensión permisible de la Tabla A-1 de ASME B31.3

Según la Fig. 3, la tensión admisible para ASTM A106 Gr. B es 19 000 psi a 500 °F.

E: factor de calidad

Los factores de calidad se utilizan en el diseño de presión y se aplican en uniones soldadas longitudinales y en espiral y para fundiciones. El valor máximo de los factores de calidad es 1,0.

El valor de E, Factor de calidad de unión de soldadura longitudinal o Factor de calidad de fundición se puede encontrar en la Tabla A-1A o la Tabla A-1B de ASME B31.3 . El factor de junta de soldadura (E) es 1 para nuestro caso de problema (Consulte la Fig. 4).

Factor de calidad para soldadura longitudinal
Fig. 4: Factor de calidad para soldadura longitudinal

W: Factor de reducción de la resistencia de la junta de soldadura

Según la sección 302.3.5(e) de ASME B31.3, el factor de reducción de la resistencia de la unión soldada, W, es la relación entre la tensión nominal para causar la falla de una unión soldada y la del material base correspondiente para una temperatura elevada. condición de la misma duración. Solo se aplica en ubicaciones de soldadura en componentes de tubería soldados longitudinales o en espiral (costura helicoidal).

Los Factores de Reducción de la Resistencia de la Junta de Soldadura se utilizan porque a temperaturas elevadas, la resistencia a la ruptura por fluencia de la junta de soldadura puede ser menor que la del metal base.

El valor de W se puede encontrar en la Tabla 302.3.5 de ASME B 31.3 (Consulte la Fig. 5) y para nuestro problema el valor de W=1

Factor de reducción de la fuerza de unión de soldadura
Fig. 5: Factor de reducción de la resistencia de la junta de soldadura

Y: Valores del Coeficiente de la Tabla 304.1.1,

El factor “Y” depende de la temperatura. A temperaturas elevadas, el factor Y aumenta, lo que lleva a una disminución en el espesor de pared de tubería requerido calculado.

Consulte la Tabla 304.1.1 de ASME B31.3 para encontrar el valor de Y. Es válido para t < D/6 y los materiales que se muestran a continuación. El valor de Y se puede interpolar para temperaturas intermedias. Para material A106 gr. B, Y ​​se da 0,4 (consulte la Fig. 6)

Valores del Coeficiente Y
Fig. 6: Valores del Coeficiente Y

Pasos para el cálculo del espesor de la tubería

Paso 1. Coloque los valores anteriores en la ecuación que se muestra en la Fig. 1

t=(1200* 114,3)/{2(19000 *1* 1+1200 *0,4)}=3,52 mm; Por lo tanto espesor calculado (t)= 3,52 mm

Paso 2. Agregue la corrosión al espesor calculado.

c = t + c = 3,52 + 3
c = 6,52 mm

Paso 3. Agregue la tolerancia del molino al espesor después de agregar el valor de corrosión.

m = t c + 12,50 % del espesor de la tubería
m =t c /0,875 =6,52/0,875 = 7,45 mm (Este es el espesor requerido)

Paso 4. Verifique el siguiente espesor de pedido disponible en ASME B36.10M considerando el espesor requerido.

Dimensiones y pesos de Tubos de Acero
Fig. 7: Dimensiones y pesos de los Tubos de Acero

Entonces, a partir de la Fig. 7, el espesor de pedido es de 8,56 mm o Schedule 80.

Nota:
1.
 El espesor de pedido para tubería sin costura siempre será el siguiente valor mayor disponible de programa a programa.
2. Mientras que para la tubería soldada cualquier valor mayor próximo será el espesor de pedido.
3. El grosor adicional se puede calcular ordenando el grosor menos el grosor requerido = (8,56 – 7,45) = 1,11 mm.

Aprovechamiento del Espesor Extra disponible en las tuberías

  • para calcular la vida de una tubería después de 20 años.
  • Para calcular la capacidad máxima de retención de presión de la tubería.
  • Para comprobar el espesor extra es suficiente cuidar el adelgazamiento, si se utiliza el mismo tubo para fabricar el codo.
  • El grosor extra también minimiza la deflexión y reduce el número de soportes.
  • Para comparar con la capacidad de retención de presión de la brida, para declarar que la tubería es más fuerte que la brida.

Parámetros que afectan el espesor de la tubería

A estas alturas ya debe haber entendido todos los parámetros que afectan el espesor de la tubería. Los parámetros se mencionan a continuación para una fácil comprensión.

  • Presión de diseño: Con un aumento en la presión de diseño interna, aumenta el espesor de una tubería.
  • Temperatura de diseño: con un aumento en la temperatura de diseño, el valor de la tensión admisible se reduce, lo que, a su vez, aumenta el espesor de la tubería.
  • Diámetro exterior de la tubería: con el aumento del diámetro exterior de la tubería, aumenta el espesor de la tubería correspondiente a la misma presión.

Supuestos para el cálculo del espesor de la tubería

Para los pasos de cálculo del espesor de tubería mencionados anteriormente siguiendo ASME B31.3, se hacen las siguientes suposiciones

Calculadora de espesor de tubería

Una calculadora de espesor de tubería es una herramienta que calcula el espesor de la tubería cuando se proporcionan todas las entradas requeridas. Las calculadoras de espesor de pared de tubería se pueden desarrollar en forma de aplicación, programa VB o programa de hoja de Excel. Todas las ecuaciones están programadas dentro de la utilidad para ayudar a los profesionales de las tuberías a calcular el espesor de la tubería de diseño con facilidad. Se adjunta una calculadora de espesor de tubería usando una hoja de Excel para su referencia.

Descarga de calculadora de espesor de pared de tubería

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