Conceptos básicos del análisis de tensión de tuberías

El análisis de tensión de tuberías es la actividad más importante en el diseño de tuberías. Una vez que las tuberías se enrutan siguiendo las pautas de diseño, deben verificarse mediante un análisis de tensión de tuberías para garantizar que funcionarán sin problemas durante su vida útil de diseño. Este artículo explicará los puntos básicos para el análisis de tensión de tuberías. El análisis de tensión de tuberías también se denomina análisis de flexibilidad de tuberías.

Objetivos del análisis de tensiones de tuberías

El análisis de tensión de los sistemas de tuberías críticas se realiza para garantizar los siguientes objetivos.

Integridad estructural:

  • Adecuación del diseño a la presión del fluido portador.
  • Falla contra varias cargas en el ciclo de vida. Tensiones limitantes por debajo del código permitido.

Integridad Operacional:

  • Limitar las cargas de las boquillas del equipo conectado dentro de los valores permitidos.
  • Evitar fugas en las juntas.
  • Limitar la flacidez y el desplazamiento dentro de los valores permitidos.

Diseño óptimo:

  • Evitando la excesiva flexibilidad y también las elevadas cargas sobre las estructuras portantes. Apunte hacia un diseño óptimo tanto para las tuberías como para la estructura.

Códigos y normas vigentes para el análisis de tensión de tuberías

Los códigos y normas especifican los requisitos mínimos para un diseño y una construcción seguros (es decir, proporcionan requisitos de material, diseño, fabricación, instalación e inspección).

Los siguientes son los códigos y estándares utilizados para el análisis de tensión de tuberías de proceso:

  1. ASME B31.3: Código de tubería de proceso
  2. ASME B31.1: Código de tuberías de energía
  3. Bombas centrífugas: API 610
  4. Bombas de desplazamiento positivo: API 676
  5. Compresores Centrífugos: API 617
  6. Compresores alternativos: API 618
  7. Turbinas de vapor: NEMA SM23/ API 612
  8. Intercambiador de calor enfriado por aire: API 661
  9. Calentadores a fuego: API 560
  10. Tanques de almacenamiento soldados de fondo plano: API 650
  11. Intercambiadores de calor: TEMA/específico del proveedor.
  12. Recipiente/Columna: Específico del proveedor/ ASME Sec VIII
  13. ASME B 31.4/ASME B 31.8: Análisis de tensión de tuberías
  14. ISO 14692: Análisis de tensión de tuberías GRE/GRP/FRP

Esfuerzos en un sistema de tuberías

Fuentes de generación de esfuerzos en un Sistema de Tuberías:

  1. Peso
  2. Presión interna/externa
  3. Cambio de temperatura
  4. Cargas ocasionales debidas al viento, perturbaciones sísmicas, descarga PSV, etc.
  5. Fuerzas debidas a la Vibración.

Esfuerzos sostenidos en el sistema de tuberías

Los esfuerzos sostenidos son los esfuerzos generados por cargas sostenidas. (por ejemplo, presión, peso). Estas cargas están presentes continuamente a lo largo de la vida de la planta.

La fuerza resistiva que surge de las tensiones sostenidas equilibra las fuerzas externas manteniendo el sistema en equilibrio. Exceder el valor de tensión permisible de mantenimiento provoca una falla catastrófica del sistema.

Según ASME B 31.3, (cláusula 302.3.5) “La suma de las tensiones longitudinales, SL, en cualquier componente de un sistema de tuberías, debido a cargas sostenidas como presión y peso, no debe exceder “S h “. Donde Sh=Esfuerzo permisible básico a la temperatura del metal para la condición de operación considerada.

Los esfuerzos de presión se solucionan calculando y seleccionando el grosor adecuado de la tubería. El espesor de presión (t) de una tubería recta se puede obtener según ASME B31.3 a partir de la ecuación (Cláusula 304.1.2) mencionada en la Fig.1:

Ecuación para el cálculo del espesor
Fig. 1: Ecuación para Cálculo de Espesor para Tubería Recta basada en ASME B 31.3

Haga clic aquí para conocer el cálculo del espesor de la tubería en detalle

Esfuerzos de expansión en el sistema de tuberías

  • El cambio en la longitud de una tubería de longitud L debido al cambio de temperatura (ΔT) está dado por ΔL=L α ΔT Aquí, α =Coeficiente de expansión térmica = cambio en la longitud del elemento de unidad de longitud debido al cambio de unidad en la temperatura.
  • Dos valores “α” (indicados por A y B) en el Código (Tabla C-1 y C-1M en ASME B31.3 Apéndice C):
    • El coeficiente térmico “A” de la Tabla C-1 indica el coeficiente medio de expansión térmica lineal entre 70 grados F y la temperatura indicada (μin/in/ 0 F).
    • El coeficiente térmico “B” de la tabla C-1 indica la expansión térmica lineal total entre 70 grados F y la temperatura indicada (unidad = pulg/100 pies).
    • La Tabla C-1M proporciona valores de coeficiente térmico en el sistema métrico.
  • Los esfuerzos de expansión se generan cuando se restringe el crecimiento térmico libre debido al cambio de temperatura. Estos son autolimitantes o autoperdonables.

Factor de intensificación de tensiones en el análisis de tensiones de tuberías

SIF (factor de intensificación del estrés): esta es la relación entre la intensidad máxima del estrés y el estrés nominal. Los factores SIF para diferentes componentes se pueden obtener del Apéndice D de ASME B31.3 hasta la edición 2018. Desde ASME B31.3-2020 en adelante, se eliminó el Apéndice D. Ahora los usuarios deben usar ASME B31J o FEA para encontrar los valores de SIF.

Ecuaciones para calcular el rango de tensión de expansión y el valor de tensión admisible

El rango de tensión de desplazamiento debido a la expansión térmica se calcula con base en la ecuación S E según la ecuación 17 de ASME B31.3 (cláusula 319.4.4).

Este valor SE no debe exceder el valor S A donde S A = Rango de esfuerzo de desplazamiento permitido.

De acuerdo con el código ASME B 31.3 (Cláusula 302.3.5), el rango de tensión de desplazamiento permisible (S A ) puede estar dado por la ecuación (Fig.2):

Ecuación para el rango de tensión de desplazamiento permitido
Fig.2: Ecuación para el rango de tensión de desplazamiento permitido

Aquí, f = factor de reducción del rango de tensión y Sc = tensión básica admisible a la temperatura mínima del metal

  • Cuando S h > SL , el rango de tensión admisible se calcula mediante la siguiente ecuación (Fig. 3): SL = tensión longitudinal debido a cargas sostenidas.
Ecuación para el rango de tensión de desplazamiento liberal permitido
Fig.3: Ecuación para el rango de tensión de desplazamiento liberal permitido

Esfuerzos ocasionales de tubería

  • Los esfuerzos ocasionales son generados por cargas ocasionales como viento, sísmica, descarga PSV, etc.
  • Estas cargas actúan en un sistema de tuberías por un período de tiempo muy pequeño, generalmente menos del 10% del período total de trabajo.
  • Según ASME B31.3, cláusula 302.3.6 “La suma de los esfuerzos longitudinales, SL, debido a cargas sostenidas, como presión y peso, y de los esfuerzos producidos por cargas ocasionales, como viento o terremoto, debe ser ≤ 1.33 veces la tensión básica admisible, Sh”
  • El código no explica explícitamente las tensiones generadas por la vibración.
  • Los problemas de vibración se resuelven mediante el juicio y la experiencia de la ingeniería.

Reducción de las tensiones de las tuberías

Las tensiones de las tuberías se pueden reducir mediante varios métodos, como

  • Proporcionar soportes en un tramo adecuado para reducir las tensiones de peso (sostenidas).
  • Brinda flexibilidad para reducir las tensiones de expansión de las tuberías generadas por la carga térmica, p. Bucles de Expansión, Desplazamientos, Inclusión de codos para cambio de dirección.

Control de flexibilidad (según la cláusula 319.4.1, ASME B 31.3):

Consulte la Fig. 4

Ecuación de verificación de flexibilidad para sistemas simples
Fig.4: Ecuación de Verificación de Flexibilidad para Sistemas Simples

Esfuerzo permisible básico/esfuerzo del material de la tubería

Mínimo de (Según ASME B 31.3)

  1. 1/3 de la máxima resistencia a la tracción (UTS) del material a la temperatura de funcionamiento.
  2. 1/3 de UTS de material a temperatura ambiente.
  3. 2/3 de la resistencia a la tracción elástica (YTS) del material a la temperatura de funcionamiento.
  4. 2/3 de YTS de material a temperatura ambiente.
  5. 100 % de la tensión media para una tasa de fluencia del 0,01 % por 1000 h.
  6. Para materiales de grado estructural, tensión básica admisible = 0,92 veces el valor más bajo obtenido del 1 al 5 anterior.

Cargas en un sistema de tuberías

Hay dos tipos de cargas que actúan sobre un sistema de tuberías: cargas estáticas y cargas dinámicas.

Cargas estáticas
Fig.5: Ejemplos de cargas estáticas

Las cargas estáticas son aquellas cargas que actúan muy lentamente y el sistema tiene suficiente tiempo para reaccionar contra ellas. En la Fig. 5 se muestran ejemplos de cargas estáticas.

Cargas Dinámicas
Fig.6: Ejemplos de Cargas Dinámicas

Por otro lado, las cargas dinámicas actúan tan rápidamente que el sistema no tiene suficiente tiempo para reaccionar contra ellas. En la figura 6 se muestran ejemplos de cargas dinámicas.

Diagrama de flujo de trabajo para análisis de tensión de tubería

La interacción del equipo de Piping Stress con otras disciplinas en cualquier organización se muestra en la Fig. 7:

diagrama de flujo de trabajo
Fig.7: Interacción interdepartamental con el equipo de estrés

Criticidad del estrés y métodos de análisis

  •  Líneas Altamente Críticas (Turbina de vapor, Tuberías conectadas a compresores): Por Análisis Informático
  •  Líneas moderadamente críticas (líneas conectadas AFC): por análisis informático
  •  Líneas críticas bajas: Visual/Cálculo manual simple/Análisis informático y
  •  Líneas No Críticas: Inspección Visual

Análisis de estrés usando Caesar II

Caesar II de Hexagon es el software de análisis de tensión de tuberías internacional más popular y ampliamente utilizado. El análisis de tensión de tuberías normalmente se realiza en cuatro pasos, como se indica a continuación:

  • Recopilación de datos de entrada para el análisis de tensiones de tuberías
  • Realización del análisis de tensiones
  • Interpretar los resultados y sugerir cambios si es necesario.
  • Proporcionar recomendaciones basadas en el análisis

Entradas requeridas para el análisis de tensión de tuberías:

  • Estrés isométrico del grupo de diseño
  • Tabla de designación de línea (LDT) o lista de línea y P&ID del proceso
  • Equipo GA y otros dibujos detallados de Mechanical
  • Diagrama de flujo/hoja de datos del proceso, si el proceso lo requiere
  • Especificación de material de tubería
  • PSV/ válvula de control GA y hoja de datos de instrumentación
  • Características del suelo de civil para análisis subterráneo
  • Estándares de limitación de carga de boquilla
  • Plano de parcela para encontrar la elevación de HPP y la orientación del equipo.
  • Código Gobernante

Análisis de estrés :

  • Comprobación de la integridad del sistema de tuberías recibido como paquete de estrés.
  • Numeración de nodos en estrés Iso.
  • Relleno de los parámetros de diseño (temperatura de diseño, presión, temperatura de funcionamiento, temperatura mínima, densidad del fluido, material, tamaño y
    grosor de la línea, grosor y densidad del aislamiento, tolerancia a la corrosión, etc.) en tensión Iso.
  • Modelado del sistema de tuberías en Caesar usando parámetros de tensión Iso.
  • Analizar el sistema y obtener resultados.

Conclusión y recomendación:

Si aceptar el sistema o sugerir los cambios necesarios en el diseño y soporte para que el sistema sea aceptable según los requisitos estándar.

Salidas del análisis de tensión:

  •  Iso’s marcados finales para el diseño
  •  Cargas de Apoyo a Civil
  •  Hojas de datos de suspensión de resorte.
  •  Hojas de datos para soportes especiales como riostras, puntales, amortiguadores, etc.
  •  Planos SPS
  • Paquete de estrés documentación final para registros

Otro software de análisis de tensión de tuberías:

Hay algunos otros software de análisis de tensión de tuberías disponibles en el mercado que se utilizan como alternativas a los softwares Caesar II como

  • Tubería automática de Bentley
  • Start-Prof by PASS (Rusia)
  • Rohr-2 de SIGMA Ingenieurgesellschaft mbH (Alemania)
  • CAEPIPE de SST Systems Inc (EE. UU.)

Tipo de soportes de tubería

El análisis de tensión de tuberías estará incompleto sin algunas palabras sobre los soportes de tuberías. El análisis de tensión de tuberías, por un lado, es la selección de los soportes adecuados y su colocación en la ubicación correcta para evitar tensiones perjudiciales en los sistemas de tuberías. Se utilizan varios tipos de soportes en la industria de tuberías y tuberías, como

  • Soporte de descanso: restringe los movimientos hacia abajo.
  • Soporte de guía: Detiene los movimientos laterales.
  • Tope de línea o tope axial: restringe el movimiento axial o longitudinal de la tubería.
  • Soporte de Anclaje: Totalmente fijo. Restrinja los seis grados de libertad. La tubería en este punto de apoyo no puede trasladarse ni rotar.
  • Soporte de suspensión de resorte variable: soporte flexible, actúa como soporte de descanso con flexibilidad a los movimientos térmicos.
  • Suspensión de Resorte Constante: Soporte flexible, actúa como soporte de descanso permitiendo desplazamientos térmicos.
  • Percha Rígida: Soporte para colgar por la parte superior.
  • Puntales: restricción dinámica
  • Amortiguadores: Restricción dinámica
  • Tirantes oscilantes, etc.

En el análisis de tensión de tuberías, los soportes se pueden clasificar en dos grupos

  1. Soporte de tubería unidireccional y
  2. Soporte de tubería bidireccional.

El soporte de tubería unidireccional se puede mover libremente en una dirección como +Y, +X, +Z, etc. aquí los soportes se pueden mover libremente en +y, +x y +z respectivamente. Sin embargo, el soporte de tubería bidireccional detiene el movimiento en ambas direcciones como los soportes Y, X o Z.

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