Cargas de diseño para tuberías

Un sistema de tuberías constituye una estructura especial irregular y ciertos esfuerzos pueden ser introducidos inicialmente durante la fase de construcción y montaje. También ocurren esfuerzos debido a circunstancias operacionales. A continuación se resumen las posibles cargas típicas que deben considerarse en el diseño de tuberías.

Cargas por la presión de diseño

Es la carga debido a la presión en la condición más severa, interna o externa a la temperatura coincidente con esa condición durante la operación normal.

Cargas por peso

a)     Peso muerto incluyendo tubería, accesorios, aislamiento, etc.

b)    Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de proceso

c)     Efectos locales debido a las reacciones en los soportes

Cargas dinámicas

a)     Cargas por efecto del viento, ejercidas sobre el sistema de tuberías expuesto al viento

b)    Cargas sísmicas que deberán ser consideradas para aquellos sistemas ubicados en áreas con probabilidad de movimientos sísmicos

c)     Cargas por impacto u ondas de presión, tales como los efectos del golpe de ariete, caídas bruscas de presión o descarga de fluidos

d)    Vibraciones excesivas inducidas por pulsaciones de presión, por variaciones en las características del fluido, por resonancia causada por excitaciones de maquinarias o del viento.

Este tipo de cargas no será considerado ya que forman parte de análisis dinámicos y en este proyecto sólo se realizarán análisis estáticos.

Efectos de la expansión y/o contracción térmica

a)     Cargas térmicas y de fricción inducidas por la restricción al movimiento de expansión térmica de la tubería

b)    Cargas inducidas por un gradiente térmico severo o diferencia en las características de expansión (diferentes materiales)

Efectos de los Soportes, Anclajes y Movimiento en los Terminales

a)     Expansión térmica de los equipos

b)    Asentamiento de las fundaciones de los equipos y/o soportes de las tuberías

Esfuerzos admisibles

Los esfuerzos admisibles se definen en términos de las propiedades de resistencia mecánica del material, obtenidas en ensayos de tracción para diferentes niveles de temperatura y de un factor de seguridad global.

La norma ASME B31.3 estipula dos criterios para el esfuerzo admisible. Uno es el llamado “esfuerzo básico admisible” en tensión a la temperatura de diseño, con la cual están familiarizados los que se dedican al diseño de equipos sometidos a presión, es menos conocido y se le denomina “rango de esfuerzo admisible”, el cual se deriva del esfuerzo básico admisible y se emplea como base para el cálculo de la expansión térmica y para el análisis de flexibilidad.

La aplicación de cada criterio es como se observa en la tabla 1:

Tabla Nº 1:

Esfuerzos Admisibles en Función de las Cargas

Para cargas aplicadas	Esfuerzos Admisibles
Esfuerzos de pared circunferenciales producidos por la presión; no deben exceder	S.E.
Esfuerzos longitudinales combinados, producidos por la presión, peso y otras cargas; no deben exceder	S

            Fuente: Álvarez (2003)

Donde:

S = Esfuerzo básico admisible a la temperatura de diseño, para el material seleccionado

E = Eficiencia de la soldadura longitudinal o factor de calidad de la fundición asociada con el diseño específico y los requerimientos de inspección

Estos esfuerzos admisibles básicos, así como el límite de fluencia y la resistencia a la tracción, están listados en el Apéndice A, Tabla A-1 y A-2, del Código B31.3 en función de la temperatura. Por ejemplo, para el acero A-106-Grado B se tiene que el límite de fluencia es, S_y = 35 KPsi (241,317 MPa), y la resistencia a la tracción es S_u = 60 KPsi (413,685 MPa).

El esfuerzo admisible básico en función a la temperatura es como se observa en la tabla 2:

Tabla Nº 2

Esfuerzos Admisibles en Función de la Temperatura

Esfuerzos Admisibles, S		Temperatura, T
Kpsi	Mpa	ºF	ºC
20.0	137.90	400	204.44
18.9	130.31	500	260.00
17.3	119.28	600	315.56
17.0	117.21	650	343.33
16.5	113.76	700	371.11
13.0	089.63	750	398.89

            Fuente: Álvarez (2003)

Los esfuerzos admisibles para cargas térmicas son como se observan en la tabla 3:

Tabla Nº 3

Rango de Esfuerzo Admisible

Para cargas térmicas	Rango de esfuerzo admisible
Los esfuerzos de expansión no deben exceder	SA

Donde;

S_A = f(1.25S_c + 0.25S_h)

S_C = Esfuerzo básico admisible para el material a la mínima temperatura esperada del metal durante el ciclo de desplazamiento

S_h = Esfuerzo básico admisible para el material a la máxima temperatura esperada del metal durante el ciclo de desplazamiento

f = Factor de reducción del rango admisible de esfuerzo para condiciones cíclicas según el número total de ciclos completos de cambios de temperatura sobre la vida esperada.

Este factor es 1.0 para 7000 ciclos o menos, lo cual es un caso típico en refinerías.

Cuando S_h es mayor que s_L, (esfuerzos longitudinales combinados), la diferencia entre ellos debe sumarse al término (0,25 S_h) por lo que la expresión S_A queda:

 S_{A=f [1.25(}S_C+S_h)-S_l

Presión de diseño

La presión de diseño no será menor que la presión a las condiciones más severas de presión y temperatura coincidentes, externa o internamente, que se espere en operación normal.

La condición más severa de presión y temperatura coincidente, es aquella condición que resulte en el mayor espesor requerido y en la clasificación (“rating”) más alta de los componentes del sistema de tuberías.

Se debe excluir la pérdida involuntaria de presión, externa o interna, que cause máxima diferencia de presión.

Temperatura de diseño

La temperatura de diseño es la temperatura del metal que representa la condición más severa de presión y temperatura coincidentes. Los requisitos para determinar la temperatura del metal de diseño para tuberías son como sigue:

Para componentes de tubería con aislamiento externo, la temperatura del metal para diseño será la máxima temperatura de diseño del fluido contenido.

Para componentes de tubería sin aislamiento externo y sin revestimiento interno, con fluidos a temperaturas de 32ºF (0ºC) y mayores, la temperatura del metal para diseño será la máxima temperatura de diseño del fluido reducida, según los porcentajes de la tabla 4.

Tabla Nº 4

Reducción de Temperatura para Componentes sin Aislamiento

Componente	sT%
Válvulas, tubería, uniones solapadas y accesorios soldados	5
Accesorios bridados	10
Bridas (en línea)	10
Bridas de uniones solapadas	15
Empacaduras (en uniones en línea)	10
Pernos (en uniones en línea)	20
Empacaduras (en casquetes de válvulas)	15
Pernos (en casquete de válvulas)	30

            

Para temperaturas de fluidos menores de 32ºF (0ºC), la temperatura del metal para el diseño, será la temperatura de diseño del fluido contenido.

Para tuberías aisladas internamente la temperatura será especificada o será calculada usando la temperatura ambiental máxima sin viento (velocidad cero).

Espesor de pared

El mínimo espesor de pared para cualquier tubo sometido a presión interna o externa es una función de:

a)     El esfuerzo permisible para el material del tubo

b)    Presión de diseño

c)     Diámetro de diseño del tubo

d)    Diámetro de la corrosión y/o erosión

Además, el espesor de pared de un tubo sometido a presión externa es una función de la longitud del tubo, pues ésta influye en la resistencia al colapso del tubo. El mínimo espesor de pared de cualquier tubo debe incluir la tolerancia apropiada de fabricación.