“especificación de sistemas de bombeo” tesis
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Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Química e
Industrias Extractivas
“Especificación de Sistemas de Bombeo” Tesis
Que para obtener el título de
Ingeniero Químico Industrial
Presenta
Gilberto Domínguez Pérez
Director Interno de Tesis: Ing. Rodolfo Gonzales Báez Director Externo de Tesis: Ing. Jonathan Rosales Juan
México, D.F. Diciembre 2016
Agradecimientos
El primer agradecimiento quiero hacerlo llegar a los principales impulsores de mis sueños
“MIS PADRES”, pues sin ustedes no hubiese podido lograr alcanzar la meta, sobre todo por
su confianza y apoyo.
La cúspide de mi primera meta como estudiante la he cristalizado, y es también gracias a
ustedes, mi carrera profesional, que primero fue su sueño, luego el mío y juntos hoy
vemos materializados esos sueños. Quienes como ustedes que con sus más sabios
consejos supieron echar andar a este su hijo, que hoy les agradece por la enseñanza, por
su constancia y por el amor que me tienen.
El segundo agradecimiento es a mi hermana por ser parte importante de mi vida y
representar la unidad familiar, a ti por ser un buen ejemplo de desarrollo profesional a
seguir, a ti por llenar mi vida de alegrías y amor cuando más lo he necesitado.
El tercer agradecimiento es a mi futura esposa, a ti que me has brindado ayuda
sumamente importante, has estado a mi lado inclusive en los momentos y situaciones más
tormentas, siempre ayudándome. No fue sencillo culminar con éxito este proyecto, sin
embargo siempre fuiste muy motivadora y esperanzadora, me has ayudado hasta donde
fue posible incluso más que eso. Muchas gracias amor.
Por último quisiera también agradecer a mis profesores y asesores, a ustedes que son
parte esencial en este logro, el cual les comparto ya que ustedes también lo trabajaron y
espero que su esfuerzo y empeño se vea reflejado en este trabajo. Ya que sin el apoyo,
experiencia y orientación que me brindaron no se hubiese podido culminar este último
pasó en mi carrera profesional.
Gracias.
Tesis individual
Fundamentación:
Existen diversos tipos de bombas y aplicaciones en los sistemas de agua. Las bombas que se
utilizan para transportar agua a través del sistema están dentro de la categoría de
‘desplazamiento variable’ o «centrifugas». Otras aplicaciones usan bombas de desplazamiento
positivo, como en la dosificación de sustancias químicas, remoción de lodos, muestreo y
compresión de aire, es por esto que el presente trabajo puede aplicar a cualquier sistema de
bombeo, desde el abastecimiento de agua hasta dosificación de compuestos químicos,
contemplando también el registro de metodos de diseño de equipos.
Se incluye también la especificación de una bomba, materiales, accesorios y equipos; posibles
a utilizar en un sistemas de bombeo.
Por lo tanto este trabajo trata de la especificación de sistemas de bombeo, contemplando
desde los recipientes de contención de fluidos, tuberías, accesorios y bombas por lo que es
necesario conocer su principio de funcionamiento y la forma como se clasifican.
Resumen:
En el presente trabajo, se realiza con el proposito de mejorar el proceso de selección de un
sistema de bombeo, para esto se deben de conocer tanto conceptos teoricos basicos, como
tecnicos, necesarios para poder realizar el correcto analisis de las caracteristicas y
necesidades del sistema de bombeo que se este analizado en su momento.
Este trabajo de tesis esta estructurado en 8 capitulos y anexos. En el capitulo 1, se presenta el
concepto basico de un sistema de bombeo con gran detalle así como también las
caracteristicas y especificaciones principales que deben ser consideradas para la selección de
una bomba, estas ultimas seran desarrolladas a lo largo de los restantes 6 capitulos.
En el capitulo 2. Tarta de los aspectos teoricos mas relevantes que deben de considerarse, que
van desde los conceptos de Caudal hasta la potencia nominal del motor, que son necesarios
para poder obtener los datos que se requieren para la elaboracion de calculos y
especificaciones de una unidades de Bombeo.
En este capitulo tambien se abordan las caracteristicas principales de las bombas, necesarias
para seleccionar de manera adecuada un equipos de bombeo, ya sea una bombas centirfugas
o de desplazamiento positivo. Asi mismo tambien se presentan los tipos de accionamiento de
las bombas.
En el capitulo 4. Es referente a la construccion de las curvas caracteristicas de una bomba y los
calculos de las bombas,desde la obtencion de la potencia de la bomba hasta el calculo para el
accionamiento de una bomba accionada por turbina, y su correccion por viscosidad.
En el capitulo 5. Se aborda el tema referente a los accesorios de las tuberias desde los mas
comunes como son codos, tess, reducciones, hasta los accesorios integralmente reforzados
weldolets, y valvulas.
En el capitulo 6. En este capitulo referente al diseño de tuberias, se dan procedimientos,
criterios y calculos, tomando en cuenta los materiales y metodos de fabricación, asi como los
principales criterios de flexibilidad y soporteria para poder generar un diseño apropiado
conforme a normatividad.
Capitulo 7. Diseño y especificacion de equipos, en este caitulo se dan los factores de seguridad
y especificaciones de equipos asi como metodos cortos para la selección de equipos,
detallandose de forma mas apropiada los recipientes sujetos aprescion y el calculo de sus
elementos distintos elementos como orejas de izaje, silletas, entre otros, utilizando el codigo
ASME. Tambien se detalla el diseño de los recipientes de almacenamiento tipo API utilizando el
codigo API-650
Anexos, en los anexos se detallan algunos graficos y tablas que deberan ser tomadas en
cuenta para la elaboracion de los calculos que se describen en este trabajo, asi mismo de
detallan algunos de los soportes mas comunmente utilizados para tuberias de todo tipo de
diametro, entre otros.
1
Contenido Especificación de Sistemas de Bombeo ........................................................................................................................................ 10 Objetivo General: .............................................................................................................................................................................. 10 Objetivos Particulares: ...................................................................................................................................................................... 10 Alcance: ............................................................................................................................................................................................. 10 Introducción: ................................................................................................................................................................................... 12 Capitulo. I. Definición de sistemas de bombeo. .................................................................................................................. 14
1.1. Características para seleccionar una bomba. ...................................................................................................................... 14
1.2 Especificaciones Especiales de una bomba ........................................................................................................................... 15
Capitulo. II. Aspectos teóricos ................................................................................................................................................... 16 2.1. Introducción. ......................................................................................................................................................................... 16
2.2. Ecuaciones básicas ................................................................................................................................................................ 17
2.2.1. Ecuación de continuidad ............................................................................................................................................... 17
2.2.2. Ecuación de energía ...................................................................................................................................................... 17
2.2.3. Ecuación de cantidad de movimiento ........................................................................................................................... 18
2.3. Conceptos básicos ................................................................................................................................................................. 18
2.4. Cavitación: ............................................................................................................................................................................ 24
2.5. Clasificación de las bombas .................................................................................................................................................. 25
2.6. Partes constructivas de una bomba centrifuga. .................................................................................................................. 28
2.7. Estructura de las bombas. .................................................................................................................................................... 33
2.7.1. Tipos de impulsores. ...................................................................................................................................................... 33
2.7.2. Tipos de carcasas (Voluta) ............................................................................................................................................ 34
2.7.3. Tipos de sellos mecánicos. ............................................................................................................................................. 35
2.8. Bombas horizontales contra verticales ................................................................................................................................ 36
2.9. Materiales para partes de una bomba. ............................................................................................................................... 38
2.10 Especificaciones y acoplamiento en ejes ............................................................................................................................. 38
2.10.1 Especificaciones. ........................................................................................................................................................... 38
2.10.2 Acoplamiento en ejes ................................................................................................................................................... 39
2.11. Puesta en marcha y mantenimiento. ................................................................................................................................ 41
2.11.1. Puesta en marcha. ....................................................................................................................................................... 41
2.11.2. Paro de una bomba. .................................................................................................................................................... 41
2.11.3. Fallos en la instalación ................................................................................................................................................ 42
2.11.4. Medidas preventivas (control de las ondas de presión) ............................................................................................. 42
2.11.5. Mantenimiento ............................................................................................................................................................ 42
2.12 Normas de bombas .............................................................................................................................................................. 43
Capitulo. III Condiciones de operación ...................................................................................................................................... 45 3.1. Características del líquido..................................................................................................................................................... 45
3.2. Características de la bomba. ................................................................................................................................................ 45
3.3. Tipo de servicio ..................................................................................................................................................................... 46
3.4. Accionamiento de bombas ................................................................................................................................................... 46
3.4.1. Motor eléctrico .............................................................................................................................................................. 46
3.4.2. Motor de combustión. ................................................................................................................................................... 47
Capitulo. IV Curvas característica ............................................................................................................................................. 48 4.1 Relación de las curvas características con bombas .............................................................................................................. 49
4.2. Construcción de curvas características................................................................................................................................. 50
4.3. Curva altura manométrica-caudal. Curva H-Q. ................................................................................................................... 50
4.4. Curva rendimiento-caudal. ................................................................................................................................................... 51
4.5. Curva potencia-caudal. ......................................................................................................................................................... 51
4.6. Cálculos para bombas. .......................................................................................................................................................... 55
4.6.1. Obtención de la potencia de la bomba. ........................................................................................................................ 55
4.6.2. Obtención de la potencia de la bomba accionada por turbina. ................................................................................... 57
4.6.3. Corrección por viscosidad. ............................................................................................................................................. 58
Capitulo. V Accesorios en Tuberías ........................................................................................................................................... 62 5.1. Introducción .......................................................................................................................................................................... 62
2
5.2. Tipos de accesorios ............................................................................................................................................................... 62
5.3. Características técnicas principales ...................................................................................................................................... 63
5.4. Características de los tipos de accesorios. ........................................................................................................................... 63
5.4.1. Bridas ............................................................................................................................................................................. 63
5.4.2. Tipos de bridas y características: .................................................................................................................................. 63
5.5. Accesorios para conexión. .................................................................................................................................................... 64
5.5.1. Codo ............................................................................................................................................................................... 64
5.5.2. Tee .................................................................................................................................................................................. 65
5.5.3. Reducción. ..................................................................................................................................................................... 66
5.5.4. Empaquetadura. ............................................................................................................................................................ 66
5.5.6. Válvula. .......................................................................................................................................................................... 67
5.5.6.1 Función y usos más comunes. ..................................................................................................................................... 67
5.5.7. Accesorios especiales. ................................................................................................................................................... 76
Capitulo. VI Diseño de Tuberías ................................................................................................................................................ 79 6.1. Criterios de Diseño en una tubería. ...................................................................................................................................... 79
6.2. Procedimiento de diseño de tuberías ................................................................................................................................... 80
6.3. Cálculos para diseño en tuberías. ......................................................................................................................................... 80
6.3.1. Calculo de diámetro para diferentes fluidos. ............................................................................................................... 80
6.3.2. Determinación de la presión de prueba hidrostática. .................................................................................................. 87
6.3.3. Temperatura de diseño y Efecto térmico. ..................................................................................................................... 90
6.3.4. Perdidas en tuberías. ................................................................................................................................................... 100
6.4. Materiales para tuberías. ................................................................................................................................................... 104
6.4.1. Métodos de fabricación ............................................................................................................................................... 105
6.4.2. Tipos de materiales. .................................................................................................................................................... 108
6.5. Tipos de cargas y esfuerzos para tuberías ......................................................................................................................... 110
6.5.1. Cargas .......................................................................................................................................................................... 111
6.5.2. Esfuerzos ...................................................................................................................................................................... 111
6.6. Flexibilidad. ......................................................................................................................................................................... 115
6.6.1. Categorización de tuberías. ........................................................................................................................................ 115
6.6.2. Análisis del sistema. .................................................................................................................................................... 120
6.6.3. Factores a considerar en un problema de flexibilidad. .............................................................................................. 120
6.6.4. Recopilación de información. ...................................................................................................................................... 121
6.7. Soportes para tuberías. ...................................................................................................................................................... 122
6.7.1. Definición y clasificación general. ............................................................................................................................... 122
6.7.2. Clasificación de Soportes típicos de instalación. ........................................................................................................ 122
6.7.3. Consideraciones generales. ......................................................................................................................................... 127
6.7.4. Espaciamiento de los soportes. ................................................................................................................................... 132
6.7.5. Donde instalar soportes. ............................................................................................................................................. 133
6.8. Categorías de fabricación de tuberías................................................................................................................................ 133
6.8.1 Categorías de fabricación en “CAPMO” ....................................................................................................................... 133
6.8.2. Categorías de fabricación en “TALLER DE PREFABRICACIÓN” ................................................................................... 134
6.9. Normatividad aplicada en el diseño de tuberías. .............................................................................................................. 134
Capitulo VII. Especificación y Diseño de Equipos “recipientes sujetos y no sujetos a presión”. ......................................... 136 7.1. Factores de Seguridad ........................................................................................................................................................ 138
7.2. Especificaciones .................................................................................................................................................................. 138
7.3. Métodos cortos para la selección de equipos. ................................................................................................................... 139
7.3.1. Cristalización a partir de soluciones. .......................................................................................................................... 139
7.3.2. Intercambiadores de calor .......................................................................................................................................... 139
7.3.3. Mezclado y agitación. ................................................................................................................................................. 140
7.3.4. Reactores ..................................................................................................................................................................... 141
7.3.5. Recipientes (tambores) ............................................................................................................................................... 141
7.3.6. Recipientes (a presión) ................................................................................................................................................ 142
7.3.7. Recipientes (tanques de almacenamiento) ................................................................................................................ 142
3
7.3.8. Torres de enfriamiento ................................................................................................................................................ 142
7.3.9. Tuberías ....................................................................................................................................................................... 143
7.4. Recipientes a Presión. ......................................................................................................................................................... 143
7.4.1. Necesidades del diseño. .............................................................................................................................................. 144
7.4.2. Limitaciones del diseño de recipientes. ...................................................................................................................... 144
7.4.3. Tipos y formas. ............................................................................................................................................................ 144
7.4.4. Control del diseño. ....................................................................................................................................................... 145
7.5. Criterios de diseño en recipientes sujetos a presión. ......................................................................................................... 146
7.5.1. La inestabilidad elástica .............................................................................................................................................. 146
7.5.2. La inestabilidad plástica .............................................................................................................................................. 146
7.5.3. Fragilidad ..................................................................................................................................................................... 146
7.5.4. Termofluéncia .............................................................................................................................................................. 147
7.5.5. Fatiga ........................................................................................................................................................................... 147
7.5.6. Esfuerzo admisible ....................................................................................................................................................... 147
7.5.7. Diseño de Recipientes (Memoria de Cálculo Recipiente ASME) ................................................................................. 147
7.5.8. Cálculo por peso. ......................................................................................................................................................... 181
7.5.9. Cálculo por presión del viento ..................................................................................................................................... 183
7.5.10. Cálculo por Sismo ...................................................................................................................................................... 186
7.5.11. Cálculo por vibraciones ............................................................................................................................................. 188
7.5.12. Cálculo de la deflexión máxima. ............................................................................................................................... 188
7.5.13. Cálculo de esfuerzos combinados ............................................................................................................................. 189
7.6. Diseño de Tanques de almacenamiento. ........................................................................................................................... 189
7.6.1. Códigos Aplicables. ...................................................................................................................................................... 190
7.6.2. Tipos de techos ............................................................................................................................................................ 192
7.6.3. Requerimientos para plataformas y pasillos .............................................................................................................. 194
7.7. Calculo de tanques de almacenamiento. ........................................................................................................................... 195
7.7.1. Consideraciones de diseño. ......................................................................................................................................... 195
7.7.2. Factores de diseño. ...................................................................................................................................................... 197
7.7.3. Diseño de fondo. .......................................................................................................................................................... 199
7.7.4. Diseño del cuerpo. ....................................................................................................................................................... 201
7.7.5. Techo. ........................................................................................................................................................................... 206
7.7.6. Esfuerzos Permisibles. ................................................................................................................................................. 210
7.7.7. Anillos de refuerzo inicial e intermedios. .................................................................................................................... 214
7.7.8. Anclaje del tanque. ...................................................................................................................................................... 216
Capitulo VIII. Conclusiones .......................................................................................................................................................... 218
4
Índice de Ilustraciones. Ilustración 1 Elementos que conforman un sistema de bombeo. ..................................................................................................... 14
Ilustración 2 Primea bomba diseñada............................................................................................................................................... 16
Ilustración 3 Representación de la ecuación de continuidad. ........................................................................................................... 17
Ilustración 4 Representación del balance de energía. ....................................................................................................................... 18
Ilustración 5 Sistemas instalación de carga e instalación de aspiración. ......................................................................................... 20
Ilustración 6 Potencias de una bomba. ............................................................................................................................................. 21
Ilustración 7 Muestra del tipo de impulsor según la velocidad especifica calculada. ....................................................................... 23
Ilustración 8 Efectos de la cavitación en un impulsor. ...................................................................................................................... 24
Ilustración 9 Clasificación de las bombas dinámicas ........................................................................................................................ 26
Ilustración 10 Clasificación de las bombas de desplazamiento positivo. .......................................................................................... 27
Ilustración 11 Relación entre caudal y altura para tres tipos de bombas: 1) Centrifuga, 2) Rotativas, 3) Vaivén. ........................... 28
Ilustración 12 Partes de una bomba centrifuga. ............................................................................................................................... 29
Ilustración 13 Bomba reciprocante horizontal de transmisión de doble efecto. ............................................................................... 30
Ilustración 14 Bomba estándar con impulsores de aspiración simple e impulsor de aspiración ...................................................... 32
Ilustración 15 Equilibrando fuerzas axiales en bombas centrifugas mono celulares solamente con orificios de equilibrado .......... 33
Ilustración 16 Equilibrando las fuerzas axiales en una bomba centrifuga mono celular con separación de cierre en el lado de la
descarga y orificios de equilibrado .................................................................................................................................................... 33
Ilustración 17 Equilibrado de las fuerzas axiales en un bomba centrifuga mono celular con palas en la parte posterior de los
impulsores. ........................................................................................................................................................................................ 33
Ilustración 18 Equilibrado de las fuerzas axiales en una disposición de impulsor con aspiración doble........................................... 33
Ilustración 19 Fuerzas radiales de un impulsor de aspiración simple. Carcasas con voluta simple y voluta doble ........................... 34
Ilustración 20 Fuerza radial para carcasas con voluta simple y voluta doble ................................................................................... 35
Ilustración 21 Formas correctas para la instalación de bombas (succión y descarga). .................................................................... 41
Ilustración 22 Descripción de las curvas características de una bomba. .......................................................................................... 50
Ilustración 23 Ejemplo de bridas, al igual que estas, hay muchas más que se presentan para diferentes TAMAÑOS, TIPOS, CLASES,
MATERIALES ...................................................................................................................................................................................... 64
Ilustración 24. Ilustración de algunos de los tipos de codos antes mencionados. Al igual que estas, hay muchas más que se
presentan para diferentes TAMAÑOS, TIPOS, CLASES, MATERIALES. ............................................................................................... 65
Ilustración 25. Ilustración de algunos de los tipos de TES antes mencionados. Al igual que estas, hay muchas más que se
presentan para diferentes TAMAÑOS, TIPOS, CLASES, MATERIALES. ............................................................................................... 66
Ilustración 26 Reducciones ................................................................................................................................................................ 66
Ilustración 27 Partes de una válvula de compuerta .......................................................................................................................... 70
Ilustración 28 Partes de la válvula tipo compuerta de 4” y mayores con conexiones de campana. ................................................. 70
Ilustración 29 Partes de una válvula tipo compuerta de 4” y mayores con conexiones de brida. .................................................... 71
Ilustración 30 Partes principales de una válvula de tipo ángulo. ...................................................................................................... 71
Ilustración 31 Partes de una válvula de tipo mariposa ..................................................................................................................... 72
Ilustración 32 Válvula de diafragma. ................................................................................................................................................ 73
Ilustración 33 Partes de una Válvula tipo retención a bisagra.......................................................................................................... 73
Ilustración 34 Partes de una válvula de retención tipo horizontal. ................................................................................................... 73
Ilustración 35 Partes de una válvula de globo. ................................................................................................................................. 74
Ilustración 36 Partes de una válvula tipo aguja ................................................................................................................................ 74
Ilustración 37 Partes de una válvula de seguridad. .......................................................................................................................... 75
Ilustración 38 Ajuste de pernos para conexiones bridadas. .............................................................................................................. 75
Ilustración 39 Weldolet de reducción ................................................................................................................................................ 76
Ilustración 40 Wedlet Diámetro a Diámetro .................................................................................................................................... 76
Ilustración 41 Threadolet Reducción, Diámetro a Diámetro y Plano ............................................................................................... 77
Ilustración 42 Sockolet Reducción de Tamaño en Tamaño y Plano .................................................................................................. 77
Ilustración 43 Flexolet ....................................................................................................................................................................... 77
Ilustración 44 Latrolet ....................................................................................................................................................................... 77
Ilustración 45. Elbolet ....................................................................................................................................................................... 78
Ilustración 46 Calentamiento externo “vena de calentamiento” ...................................................................................................... 98
5
Ilustración 47 Formación de Tubos por extrusión. .......................................................................................................................... 106
Ilustración 48 Laminador oblicuo .................................................................................................................................................... 106
Ilustración 49 Laminador para acabado ........................................................................................................................................ 107
Ilustración 50 Momentos en tuberías. ............................................................................................................................................ 111
Ilustración 51 Deformación en tuberías. ......................................................................................................................................... 119
Ilustración 52 Clasificación de soportes. ......................................................................................................................................... 122
Ilustración 53 Soporte Media caña “elevación” .............................................................................................................................. 123
Ilustración 54 Soporte Media caña embebido “elevación” ............................................................................................................ 123
Ilustración 55 Soporte Media caña con aislamiento y anclaje “elevación”.................................................................................... 124
Ilustración 56. Soportes para trampas de vapor ............................................................................................................................. 128
Ilustración 57 Estación de servicio “elevación” ............................................................................................................................... 129
Ilustración 58 Distribución de tuberías en racks ............................................................................................................................. 130
Ilustración 59 Clasificación de los recipientes a presión. ................................................................................................................ 145
Ilustración 60 Espesor del cuerpo cilíndrico .................................................................................................................................... 149
Ilustración 61 En función del diámetro Interior............................................................................................................................... 149
Ilustración 62 En función del diámetro exterior. ............................................................................................................................. 150
Ilustración 63 Para determinar la distancia “L” Recipientes con anillos atiesadores. .................................................................... 156
Ilustración 64 Detalle de uniones en tapas planas .......................................................................................................................... 159
Ilustración 65 Detalle para anillos atiesadores ............................................................................................................................... 161
Ilustración 66 Momento de inercia (I), todas las dimensiones de la imagen están en pulgadas. ................................................... 163
Ilustración 67 Momento de inercia (I), todas las dimensiones de la imagen están en pulgadas. .................................................. 164
Ilustración 68 Momento de inercia (I), todas las dimensiones de la imagen están en pulgadas. ................................................... 165
Ilustración 69 Diseño de silletas. ..................................................................................................................................................... 170
Ilustración 70 Diseño de silletas de 6” a 20” de Ø ........................................................................................................................... 172
Ilustración 71 Diseño de silletas de 24” a 144” de Ø ..................................................................................................................... 173
Ilustración 72 Faldón para recipientes verticales, cotas, estructura y posicionamiento ................................................................. 174
Ilustración 73 Soporte para recipiente vertical “FALDON” ............................................................................................................. 177
Ilustración 74. Soporte para recipiente vertical “FALDON” ............................................................................................................ 178
Ilustración 75 Localización de orejas de izaje. ................................................................................................................................ 180
Ilustración 76 Orejas de izaje ......................................................................................................................................................... 181
Ilustración 77 De zonas eólicas, velocidades Regionales de la República Mexicana. ..................................................................... 183
Ilustración 78 Para soportar presión interna y carga de viento. ..................................................................................................... 185
Ilustración 79 Regionalización sísmica de la república mexicana. .................................................................................................. 187
Ilustración 80 Volumen y nivel del tanque de almacenamiento. .................................................................................................... 198
Ilustración 81 Tomada de Standar API-650. Detalle de doble filete-ranura de soldadura para placas de fondo anular con un
espesor nominal superior a 13 mm (1/2 in). ................................................................................................................................... 200
Ilustración 82 Tipos de soldaduras de filete que pueden ser utilizadas. ......................................................................................... 201
Ilustración 83 Detalles de anillos de refuerzo. ................................................................................................................................ 208
Ilustración 84 Secciones típicas de anillos atiesadores. .................................................................................................................. 214
6
Índice de tablas. Tabla 1 Ventajas y desventajas (bombas verticales y horizontales) ................................................................................................. 36
Tabla 2 Aplicaciones.......................................................................................................................................................................... 37
Tabla 3 Partes y Materiales para una bomba. .................................................................................................................................. 38
Tabla 4 Montajes de una bomba Superficial..................................................................................................................................... 39
Tabla 5 Montajes de una bomba sumergible ................................................................................................................................... 40
Tabla 6 Eficiencia de Bombas. .......................................................................................................................................................... 56
Tabla 7 Factor de modificación de gasto de díselo. .......................................................................................................................... 84
Tabla 8 Coeficiente de elasticidad. .................................................................................................................................................... 90
Tabla 9 De coeficientes de expansión térmica en ºC......................................................................................................................... 91
Tabla 10 Valores de módulo de Young y tensión de ruptura para algunos materiales. ................................................................... 91
Tabla 11 De coeficientes de expansión térmica en ºC ....................................................................................................................... 93
Tabla 12 Coeficientes de transmisión por convección....................................................................................................................... 94
Tabla 13 Perdidas de Kcal/hr para bridas no aisladas ...................................................................................................................... 97
Tabla 14 Tipos de aislantes y sus aplicaciones ................................................................................................................................. 99
Tabla 15 Velocidades y Pérdidas de Carga Recomendadas. ........................................................................................................... 101
Tabla 16 Continuación velocidades y Perdidas de Carga Recomendadas ...................................................................................... 102
Tabla 17 Materiales y normas ........................................................................................................................................................ 108
Tabla 18 Factor F esfuerzos por condiciones cíclicas ...................................................................................................................... 112
Tabla 19 Altura de soportes ............................................................................................................................................................ 125
Tabla 20 Separación entre soportes................................................................................................................................................ 126
Tabla 21 Clasificación de soportes para tuberías. ........................................................................................................................... 130
Tabla 22 Altura mínima de soportes estructurales. ....................................................................................................................... 131
Tabla 23 Espaciamiento entre soportes. ......................................................................................................................................... 133
Tabla 24 Factores de diseño de equipos importantes ..................................................................................................................... 136
Tabla 25 Requerimientos de potencia y velocidades de agitación en tanques con pantallas. ....................................................... 140
Tabla 26 Tensión máxima permisible para recipientes a presión. .................................................................................................. 142
Tabla 27 Anillos atiesadores para recipientes horizontales ............................................................................................................ 161
Tabla 28 Cálculos para obtener los refuerzos en anillos atiesadores.............................................................................................. 163
Tabla 29 Constantes para K9 y K10 ................................................................................................................................................. 164
Tabla 30 Análisis de esfuerzos en recipientes cilíndricos horizontales soportados en dos silletas. ................................................ 167
Tabla 31 Valores de la constante K ................................................................................................................................................. 171
Tabla 32 Longitud mínima de las ranuras. ...................................................................................................................................... 171
Tabla 33 Soportes para recipientes de 6”a 20” de Ɵ (dimensiones en IN) ..................................................................................... 172
Tabla 34 Soportes para recipientes de 24”a 144” de Ɵ (dimensiones en IN) ................................................................................. 173
Tabla 35 Numero de anclas recomendadas. ................................................................................................................................... 175
Tabla 36 Máximo esfuerzo permisible de las anclas (SB) en lb/in2 ................................................................................................ 175
Tabla 37 Área neta de tornillos y dimensiones de las placas base. ................................................................................................ 175
Tabla 38 Soportes para recipiente vertical “Faldón recto” ............................................................................................................. 178
Tabla 39 Soportes para recipiente vertical “Faldón conico” ........................................................................................................... 178
Tabla 40 Orejes de izaje en pulgadas .............................................................................................................................................. 180
Tabla 41 Placas Estandar “Dimenciones y pesos” ........................................................................................................................... 182
Tabla 42 Velocidades de viento en la república mexicana .............................................................................................................. 184
Tabla 43 Combinación de esfuerzos. ............................................................................................................................................... 186
Tabla 44 Coeficiente sísmico “C” ..................................................................................................................................................... 187
Tabla 45 Combinación de esfuerzos dominantes. ........................................................................................................................... 189
Tabla 46 Estándares para tanques de fondo plano. ....................................................................................................................... 190
Tabla 47 Códigos de diseño para tanques de almacenamiento de petróleo y derivados. ............................................................. 191
Tabla 48 Códigos de Diseños de tanques de almacenamiento de líquidos ..................................................................................... 191
Tabla 49 Grupos de materiales para la construcción de Tanques de Almacenamiento. ................................................................ 192
Tabla 50 Ecuaciones lineales ........................................................................................................................................................... 194
Tabla 51 (SI) Temperaturas mínimas de precalentamiento ............................................................................................................ 196
7
Tabla 52 Espesores y filetes de soldadura recomendados. ............................................................................................................. 199
Tabla 53 Espesor mínimo de fondo y placa anular (milímetros) ..................................................................................................... 200
Tabla 54 Materiales más comunes y esfuerzos permisibles (Kg / cm2) .......................................................................................... 202
Tabla 55 Zonas sísmicas .................................................................................................................................................................. 210
Tabla 56 Factor de amplificación del lugar. .................................................................................................................................... 212
8
Índice de gráficas. Grafico 1 La grafica de velocidad especifica es una ayuda en la selección preliminar de bombas centrifugas de una velocidad. .. 23
Grafico 2 Curva característica en cavitación ................................................................................................................................... 25
Grafico 3 Curvas características de una bomba. .............................................................................................................................. 49
Grafico 4 Comparación de las curvas características de una bomba centrifuga y de una de flujo axial ......................................... 49
Grafico 5 Curvas NPSHr - Q, de 4 bombas iguales pero con distinto diámetro de rodete ................................................................ 52
Grafico 6 Curvas características a distintas velocidades de una misma bomba A) Altura caudal; B) Rendimiento caudal; C)
Potencia caudal; D) de igual rendimiento en el diagrama Altura Caudal ......................................................................................... 53
Grafico 7 Punto de operación de un sistema de bombeo................................................................................................................. 53
Grafico 8 Variación de la velocidad de revolución. ......................................................................................................................... 54
Grafico 9 Punto de operación de un sistema de bombeo................................................................................................................. 54
Grafico 10 Curva característica de una bomba centrifuga .............................................................................................................. 55
Grafico 11 Eficiencia media de las turbinas de varias etapas ......................................................................................................... 57
Grafico 12 Eficiencia media de las turbinas de una sola etapa ........................................................................................................ 58
Grafico 13 Para determinar en factor de corrección para la altura y el consumo a distintos valores de caudal, altura y viscosidad
.......................................................................................................................................................................................................... 59
Grafico 14 Curva de la corrección de la bomba para seleccionar la bomba adecuada para el sistema .......................................... 60
Grafico 15 El gráfico muestra la viscosidad de distintos líquidos a distintas temperaturas. La viscosidad disminuye al aumentar la
temperatura. ..................................................................................................................................................................................... 61
Grafico 16 Valores de C y K. ............................................................................................................................................................. 89
Grafico 17 Para superficies planas y tubería. ................................................................................................................................... 94
Grafico 18 Perdida de calor de las tuberías no aisladas, por cada metro lineal hora. .................................................................... 95
Grafico 19 Diagrama de Moody ...................................................................................................................................................... 103
Grafico 20 Para determinar el valor del diámetro óptimo. ............................................................................................................ 148
Grafico 21 Procedimiento para determinar “t” de la coraza cilíndrica (Esfuerzo de cedencia especificado: 30,000 a 38,000 lb/in2,
inclusive) ......................................................................................................................................................................................... 151
Grafico 22 UGO-28 (código ASME) grafica geométrica de recipientes cilíndricos sujetos a presión externa o compresivas. ...... 153
Grafico 23 UCS-28.2 (código ASME). para obtener el factor B ....................................................................................................... 154
Grafico 24 UCS-28.1 (código ASME). para obtener el factor B ....................................................................................................... 154
Grafico 25 UHA-28.2 (código ASME). Para obtener el factor B ...................................................................................................... 155
Grafico 26 UHA-28.3 (código ASME) para obtener el factor B ....................................................................................................... 155
Grafico 27 UHA-28.4 (código ASME) para obtener el factor B ...................................................................................................... 156
Grafico 28 Temperatura mínima admisible del metal del diseño de los materiales usados en Tanques de almacenamiento sin
pruebas de impacto. Los espesores incluyen corrosión máxima permisible ................................................................................... 193
Grafico 29 Temperatura b- (USC) mínima admisible del metal del diseño de los materiales usados en el tanques de
almacenamiento sin pruebas de impacto. Los espesores incluyen corrosión máxima permisible. ................................................. 193
Grafico 30 Masa efectiva. .............................................................................................................................................................. 211
Grafico 31 Centroide de la fuerza sísmica. ..................................................................................................................................... 211
Grafico 32 Valor del factor K .......................................................................................................................................................... 212
Grafico 33 Fuerza de compresión. .................................................................................................................................................. 216
9
Anexos
Anexo 1 Hoja de datos de una Bomba. .......................................................................................................................................... 221
Anexo 2 Perdidas de carga en accesorios ...................................................................................................................................... 222
Anexo 3 Grafico para determinar la escala de viscosidad.............................................................................................................. 223
Anexo 4 Factores de corrección para líquidos viscosos. ................................................................................................................. 224
Anexo 5 Potencias transmitidas por las correas planas en función del diámetro de la polea pequeña y su velocidad. ................ 225
Anexo 6 Detalle de Fabricación e Instalación de soporteria para tuberías. ................................................................................... 226
Anexo 7 Hoja de datos de Equipo. ................................................................................................................................................. 248
Anexo 8 Ilustraciones, tablas y gráficos para el cálculo de recipientes a presión. ......................................................................... 249
Anexo 9 Dimensionamiento de recipientes de separación. ........................................................................................................... 255
Anexo 10 Ejemplo del cálculo de bombas con diferentes fluidos. .................................................................................................. 271
10
Especificación de Sistemas de Bombeo
Objetivo General:
Contar con un manual en el tema, el cual recopile y proporcione información necesaria, de manera
breve, clara y precisa de todo lo referente al Cálculo, Selección y Especificación de Sistemas de
Bombeo “bombas, recipientes, tuberías y accesorios”
Objetivos Particulares:
En este trabajo se tendrán los elementos suficientes y necesarios para el suministro, pruebas,
inspección, y especificación de sistemas de bombeo.
Proporcionar orientación a los usuarios en el tema de la especificación de sistemas de bombeo asi
como también sobre los procedimientos de la selección de equipos.
Proporcionar los procedimientos y métodos de cálculo rápidos para; tuberías que transporten
líquidos, mezclas l/v, y gases, así como también para el dimensionamiento de equipo de bombeo y
recipientes sujetos y no a presión, y selección de materiales.
Alcance:
En el presente trabajo trata de ser una propuesta, el cual se realiza con el propósito de facilitar el proceso
de selección y cálculo de un sistema de bombeo, para esto se deben de conocer tanto conceptos básicos
teóricos como técnicos, necesarios para poder realizar el correcto análisis de las características y
necesidades del sistema de bombeo que se esté analizado en su momento.
11
El manual es aplicable para cualquier sistema de bombeo, desde el abastecimiento de agua hasta
dosificación de compuestos químicos, contempla también el registro de métodos de diseño de equipos.
Se incluyen las especificaciones para la selección de bombas, materiales, accesorios y equipos posibles a
utilizar en los sistemas de bombeo, dependiendo de las características de los fluidos que deben de
manejar (cada sistema es único y depende de las variables y criterios de los diseñadores).
Por lo tanto este trabajo trata de la especificación de sistemas de bombeo, contemplando desde los
recipientes de contención de fluidos, tuberías, accesorios y bombas por lo que es necesario conocer su
principio de funcionamiento y la forma como se clasifican.
12
Introducción:
Durante muchos años el mejoramiento de materiales, conexiones, diseños de bombas y unidades de
bombeo, han tenido el desafío de conducir mayores caudales, estos cada vez más específicos (de líquidos
con propiedades variadas), lo que ha llevado a cada componente al límite esto ha impulsado el desarrollo
de nuevos productos, estrategias de operación y diseño de sistemas de bombeo. En este trabajo se
revisaran tanto conceptos de más teóricos como conceptos prácticos para el diseño de estos sistemas.
Parte de este estudio involucra la caracterización, basándose en la identificación detallada de los factores
que influyen en el consumo energético. Contemplado los aspectos operativos, analizando los
componentes críticos para poder maximizar la vida del sistema.
Las bombas utilizadas más comunes en los sistemas de abastecimiento y de producto suelen ser
centrifugas o reciprocantes, por lo cual se tendrá un mayor enfoque sobre ellas. Se comprenderá mejor su
procedimiento de selección, por medio de su principio de funcionamiento, clasificación y usos principales
de algunos tipos de ellas.
El bombeo de agua o de soluciones en pequeña o gran escala es una de las aplicaciones con más
trascendencia en el mundo, teniendo especial impacto en el requerimiento de energía eléctrica, un buen
sistema de bombeo debe de caracterizarse por ser de alta confiabilidad, larga duración, mínimo
mantenimiento, lo cual se traduce en un menor costo a largo plazo, comparando alternativas de costo-
beneficio.
Todos o la mayoría de los sistemas son modulares, de forma que se adecuan para satisfacer las
necesidades específicas del usuario en todo momento. Para tener un mejor panorama de la especificación
de sistemas de bombeo, es necesario entender conceptos como la hidráulica del sistema, cavitación,
NPSH, y el funcionamiento del par motor-bomba.
El manual ofrece una consulta rápida para estudiantes de ingeniería, para tal efecto, se considera el
planteamiento de conceptos básicos de fluidos, diseño y cálculo de sistemas e instalaciones, de una forma
clara y precisa.
Las tuberías y accesorios, como elementos conductores de fluidos en una planta, han sido normalizados
con el objetivo de garantizar valores más exactos de resistencia así como de garantizar su conexión sin
13
tener que reinventarlos cada día y en cada proyecto. Por ejemplo las normas DIN de general aplicación en
el continente Europeo, ASME y ANSI más aplicadas en los Estados Unidos y su área de influencia.
Los sistemas de tuberías constituyen una estructura especial e irregular con criterios diferentes
dependiendo del tipo y características de los fluidos que transporta. Ciertos esfuerzos pueden ser
introducidos inicialmente durante las fases de diseño, construcción y montaje. También ocurren esfuerzos
debido a circunstancias de operaciones, cargas por la presión de diseño. La carga de diseño para tuberías
es pues 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.
Las tuberías que se encuentran soldadas de forma longitudinal se recomiendan solo para servicios sin
temperatura y las soldadas helicoidales pueden constituir una alternativa válida para elevadas
temperaturas, siempre y cuando no sean sometidas a mucha tensión. Las tuberías sin soldadura en
cambio se utilizan preferentemente y siempre que los servicios sean estratégicos o requieran mayor
seguridad, por las características de los fluidos y condiciones de operación.
Por mencionar algunos otros materiales, aparte de las tuberías metálicas, tenemos también las tuberías
termoplásticas (PVC, Polietileno, polipropileno, fibra de vidrio, etc.) de las cuales deberemos saber que:
1. Tienen coeficientes de dilatación muy elevados.
2. No resisten grandes esfuerzos.
3. Forman parte de recubrimientos internos para el manejo de algunas soluciones.
4. Tiene una elevada resistencia a la corrosión.
14
Capitulo. I. Definición de sistemas de bombeo.
Una bomba sirve para producir una ganancia en carga
estática de un fluido procedente de una energía mecánica
que se transmite en su eje por medio de un motor. Una de
sus principales funciones es para el transporte de fluidos
desde un recipiente a otro a través de una red de
tuberías. Misma que depende de la altura a la que se
elevara el fluido, de la presión que se requiere en la
descarga del fluido, y de las características de la tubería
(longitud, diámetro y rugosidad relativa, de la velocidad
del fluido, así como de las propiedades físicas del fluido,
como son la densidad y la viscosidad, para dar la Hfd.
Un sistema de bombeo consiste en un conjunto de
elementos que permiten el transporte a través de tuberías
y el almacenamiento temporal de los fluidos, de forma que
se cumplan las especificaciones de caudal y presión
necesarias en los diferentes sistemas y procesos.
1.1. Características para seleccionar una
bomba.
I. La naturaleza del líquido que se bombeara.
II. La capacidad requerida (NPSH, HT, Diámetro).
III. Tipo de flujo (laminar, turbulento, ideal, permanente, no permanente, uniforme, no uniforme estable,
inestable, estacionario, reversible. Irreversible, adiabático, etc.).
IV. Tipos de impulsores.
V. Las condiciones en el lado de la succión (entrada) de la bomba.
VI. Las condiciones en el lado de la descarga (salida) de la bomba.
VII. La cabeza total de la bomba (el termino hB de la ecuación de la energía).
VIII. El tipo de sistema al que la bomba está entregando el fluido.
IX. El tipo de fuente de alimentación (motor eléctrico, diésel, turbina de vapor, etc.…)
X. Limitaciones de espacio, peso y posición.
XI. Condiciones ambientales.
Ilustración 1 Elementos que conforman un sistema
de bombeo.
15
XII. Costo de la bomba
XIII. Costo de instalación.
XIV. Costo de la operación de la bomba.
XV. Códigos y estándares que rigen a las bombas.
Como lo mencionamos anteriormente, la selección de una bomba se encontrara en función de su
aplicación; de las cuales tenemos varias a elegir, siempre y cuando una bomba que opere con un
rendimiento relativamente alto para las condiciones de funcionamiento dadas. Ya que el objetivo de este
trabajo es dar los parámetros para la selección de una bomba de modo que las características de su
funcionamiento en relación al sistema en el cual se opere sea tal que el punto de funcionamiento esté
cerca del PMR (PUNTO MAXIMO DE RENDIMIENTO), tendiendo a optimizar su rendimiento minimizando
el consumo de energía.
El punto de operación de una bomba puede ser cambiado si la curva característica de la bomba se
desplaza, o cambiando la curva característica del sistema o cambiando ambas. Una de los problemas más
comunes es que los niveles de ambos extremos del sistema no se mantienen constantes, como ocurre si
los niveles de los depósitos fluctúan. En tal caso es difícil alcanzar un rendimiento alto para todos los
modos de funcionamiento. En casos extremos a veces se utiliza un motor con velocidad variable.
1.2 Especificaciones Especiales de una bomba
Se deben especificar los siguientes puntos:
I. Tipo de bomba.
II. Tamaño de la bomba.
III. Tamaño de la conexión de la succión y tipo (de borde, roscada, etc…).
IV. Tamaño y tipo de la conexión de descarga.
V. Velocidad de operación.
VI. Especificaciones de la alimentación. (Motor eléctrico, Motor de corriente Inversa – potencia
requerida, velocidad, voltaje, fase, frecuencia, tamaño del armazón, tipo de estructura).
VII. Tipo de acoplamiento, número del modelo.
VIII. Características del montaje.
IX. Materiales y accesorios especiales que requieran.
X. Sellado de la flecha y materiales de sellado (sellos mecánicos, hidráulicos. Para mayor referencia
consultar la API-682)
XI. Fabricante.
16
Capitulo. II. Aspectos teóricos
2.1. Introducción.
La necesidad más antigua que al ser humano se
le ha presentado es la de transportar agua de un
lugar a otro, por lo que empezó realizar e idear
diversos mecanismos para su solución, iniciando
el desarrollo tecnológico de los sistemas de
bombeo.
Una bomba es un dispositivo empleado para
elevar, transferir o comprimir gases, son
máquinas que realizan un trabajo para mantener
un fluido en movimiento. Consiguiendo así
aumentar la presión o energía cinética del fluido.
Se tiene constancia de la existencia de algún tipo
de bomba sobre el 300 A.C., Arquímedes
(matemático y físico griego) construyó una de diseño sencillo, aunque poco eficiente, con un tornillo que
gira en una carcasa e impulsa el líquido “tornillo sin fin”.
En la actualidad existen infinidad de formas de clasificación de bombas pero fundamentalmente se pueden
dividir en dos grandes grupos:
Bombas volumétricas o de desplazamiento positivo, entre las que se encuentran por ejemplo las
alternativas, rotativas y las neumáticas, pudiendo decir a modo de síntesis que son bombas de
pistón, cuyo funcionamiento básico consiste en recorrer un cilindro con un pistón.
En las bombas de desplazamiento positivo el fluido que se desplaza está contenido entre el
elemento impulsor que puede ser un émbolo que recorre un cilindro, un par de dientes de
engranaje, una paleta, etc., y la carcasa o el cilindro. Se dividen en 2 grupos; rotatorias y
reciprocantes, estas serán parte del tema del presente trabajo.
Bombas dinámicas o de energía cinética: fundamentalmente consisten en un rodete que gira
acoplado a un motor. Entre ellas se sitúan las regenerativas, las especiales, las periféricas
“domesticas” o de turbinas y una de las más importantes, las centrífugas, de las que también se
hablará en el presente trabajo.
Ilustración 2 Primea bomba diseñada.
17
En todos los tipos de bombas para líquidos deben emplearse medidas para evitar el fenómeno de la
cavitación, que es la formación de un vacío que reduce el flujo y daña la estructura de la bomba. A las
bombas empleadas para gases y vapores se las denominan compresores.
2.2. Ecuaciones básicas
2.2.1. Ecuación de continuidad
La ecuación de la continuidad es consecuencia del
principio de la conservación de la materia. Se basa en
que el caudal (Q) de un fluido permanece constante a lo
largo de toda la conducción “Tubería”. Dado que el
caudal en un flujo permanente es el producto de la
superficie de una sección del conducto por la velocidad
con que fluye en el fluido, por lo tanto tendremos que
en dos puntos de una misma tubería se debe cumplir
que:
Dónde:
A es la superficie de las secciones transversales de los puntos 1 y 2 del conducto.
v es la velocidad del flujo en los puntos 1 y 2 de la tubería.
El caudal debe mantenerse a lo largo de toda la tubería, cuando la sección disminuya la velocidad
aumenta en la misma proporción y viceversa.
Mientras que en las tuberías, el caudal se calcula:
Dónde: Q = Caudal (m3/s) A = Área de la sección transversal del tubo (m2) V = Velocidad media de la corriente (m/s) D = Diámetro interno del tubo (m)
2.2.2. Ecuación de energía
Cuando un flujo que se transporta por una tubería se pueden distinguir varios tipos de energía, por
mencionar algunos; energía potencial, energía cinética, energía interna, de presión, mecánica, calorífica,
fricción, química.
El teorema de Bernoulli es una forma de expresión de la aplicación de la energía del fluido en tubería. La
energía total en un punto cualquiera por encima de un plano horizontal este debe ser arbitrario, fijado
Ilustración 3 Representación de la ecuación de
continuidad.
18
como referencia, este será la suma de la altura geométrica (energía potencial), la altura debida a la presión
(energía de Presión) y la altura debida a la velocidad (energía Cinética).
Dónde: H = Energía total en un punto Z = Energía Potencial P/w = Energía de presión w = Peso Específico del agua = 1000 kg/m2 V´/2g = Energía Cinética g = Aceleración de la gravedad = 9.8 m/s
En un balance total de energía se debe tomar en cuenta las
transferencias de energía a través de los límites del sistema.
Algunos tipos de energía se relacionan directamente con la masa
que es transportada y en otros casos solo forman parte de la
misma transición de energía.
En donde la ecuación de Bernoulli relaciona la presión P, la
rapidez de flujo v y la altura de dos puntos 1 y 2 cualquiera,
suponiendo un flujo estable en un fluido ideal. Y la ecuación queda representada de la siguiente manera:
O en forma general:
2.2.3. Ecuación de cantidad de movimiento
La ley fundamental de la mecánica, o tercera ley de Newton, establece la correlación entre la fuerza que
recibe o aplica un cuerpo, la masa y la velocidad del mismo. Recordando que el momentum, o cantidad del
movimiento para un cuerpo, se expresa por:
Cuando a lo largo de un volumen de control, la velocidad del flujo varía, es porque actúan fuerzas sobre él
que lo aceleran:
∑
2.3. Conceptos básicos
Para el análisis y evaluación de la eficiencia, es oportuno repasar aquellos conceptos que son importantes
para el incremento de la eficiencia así como para la localización de las posibles fallas que las afecten.
Ilustración 4 Representación del balance
de energía.
19
CAUDAL (Q): Volumen de un líquido, manejado por la bomba por unidad de tiempo; es
independiente del peso específico y de líquidos de viscosidad superior a la del agua.
PRESIÓN ATMOSFÉRICA (Pa): Fuerza ejercida por la atmósfera por unidad de superficie.
PRESIÓN RELATIVA O EFECTIVA (Pr): Es la presión medida con relación a la presión
atmosférica. Los manómetros miden presiones positivas. Los vacuómetros miden presiones
negativas.
PRESIÓN ABSOLUTA (Pabs): Es la presión por encima del cero absoluto (vacío perfecto).
PRESIÓN DE VAPOR (Pv): Es la presión a la que un líquido, a determinada temperatura, se halla
en equilibrio con su fase gaseosa (vapor).
DENSIDAD: es la masa de una sustancia por unidad de volumen.
PESO ESPECÍFICO (): Es el peso de una sustancia por unidad de volumen.
INFLUENCIA DEL PESO ESPECÍFICO: Una bomba puede impulsar líquidos de distinto peso específico,
por ejemplo agua, alcohol, ácido sulfúrico etc., a una misma altura, afectando tan sólo a la presión de
descarga y potencia absorbida que se verán modificadas en relación directa al peso específico.
ALTURA DE ASPIRACIÓN O SUCCIÓN (HS): Es la altura geodésica1 medida desde el nivel
mínimo del líquido al eje de la bomba (ver Imagen 3).
ALTURA DE IMPULSIÓN O DESCARGA (HD): Es la altura geodésica medida desde el eje de la
bomba al nivel máximo de elevación (ver Imagen 3).
ALTURA GEODESICA TOTAL (Ht):
PÉRDIDAS DE CARGA (Pc): Es la altura que se pierde por los rozamientos que ofrecen al paso del
líquido las tuberías, válvulas, filtros, curvas y otros accesorios.
ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL (Hm): Es la altura total (presión diferencial) que ha de vencer la
bomba:
P1= Presión en el depósito de impulsión. P2= Presión en el depósito de aspiración.
1 La altura geodésica hace referencia a la diferencia física real en altura entre el nivel del líquido en el pozo “o recipiente” y el
20
Potencias y rendimientos
(P1) POTENCIA ABSORBIDA DE LA RED; Consumo de potencia o Potencia activa
Motores monofásicos
Motores trifásicos
√
Ilustración 5 Sistemas instalación de carga e instalación de aspiración.
(P2) POTENCIA NOMINAL DEL MOTOR
La mayor potencia suministrada por el motor
Motores monofásicos
Motores trifásicos
√
(P3) POTENCIA ABSORBIDA POR EL EJE DE BOMBA
Para determinadas condiciones de servicio
Dónde:
U: Tensión de servicio en V. I: Corriente en el estator en Amp.
cos : Factor de rendimiento
m: Rendimiento motor Q : Caudal m3/h
21
H: Altura manométrica en metros columna de líquido.
h: Rendimiento hidráulico en %
: Peso específico en kg/dm3
Ilustración 6 Potencias de una bomba.
Ejemplo:
Si queremos conocer la potencia que desarrolla un motor eléctrico monofásico, cuyo consumo de corriente
es de 10,4 amper (A), posee un factor de potencia o Cos = 0,96 y está conectado a una red eléctrica de
corriente alterna también monofásica, de 220 volt (V), sustituyendo estos valores en la fórmula anterior
tendremos
Como vemos, la potencia de ese motor eléctrico será de 2 196,48 watt. Si convertimos a continuación los
watt obtenidos como resultado en kilowatt dividiendo esa cifra entre 1 000, tendremos: 2196,48 ÷ 1000 =
2.2 kW aproximadamente
NPSH: La cabeza de succión neta positiva (Net Positive Suction Head, por sus siglas en inglés) es
un parámetro de suma importancia en el funcionamiento de una bomba. Se relaciona con la
presión del fluido a la entrada de la bomba y por lo tanto influye en el fenómeno de la cavitación
En la práctica la cavitación se evita garantizando que el NPSH requerido por la bomba sea MENOR el NPSH
disponible en el sistema.
El NPSH requerido es un parámetro de la bomba y lo debe dar el fabricante. Se puede interpretar
como la succión que produce la bomba para poder manejar el caudal y la cabeza para las cuales
fue seleccionada. Es una característica propia de la bomba.
El NPSH disponible es un parámetro del sistema y debe calcularse. Nos dice que tanta succión se
puede tolerar antes que la presión alcance la Psat. De ahí el requerimiento NPSH requerido <
22
NPSH disponible. Es la energía que tiene un líquido en la toma de aspiración de la bomba
(independientemente del tipo de esta) por encima de la energía del líquido debida a su presión de
vapor.
Se calcula de la siguiente manera:
hsp: Cabeza de presión estática aplicada al fluido (en escala absoluta) expresada en metros de
altura de columna del fluido.
hs: Diferencia de elevación entre el nivel del fluido en el depósito y la entrada a la bomba. Positivo
cuando la bomba está por debajo del depósito (preferido) y negativa cuando está por encima del mismo.
hf: pérdida por fricción en la tubería de succión expresada en metros.
hvap: Presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo expresada en metros de altura de
columna del fluido. (Psat@T/g donde g es el peso específico del fluido a la temperatura de bombeo, T).
A medida que se aumenta el caudal del sistema las pérdidas de presión en la succión aumentan de
manera que cada vez se reduce más el NPSHdisponible Del mismo modo al aumentar el caudal el
NPSHrequerido por la bomba aumenta como se muestra en el siguiente gráfico.
EFICIENCIA DE LA BOMBA (ηb). Es la relación entre la energía entregada al fluido y la energía
entregada a la bomba, en %.
EFICIENCIA CONJUNTO MOTOR-BOMBA (ηm-b). Es la relación de la potencia de salida de la
bomba entre la potencia de entrada al MOTOR de la bomba. La eficiencia se expresa en %.
El rendimiento η de una bomba viene dado por la ecuación:
Para una bomba, el rendimiento es 80%, pero generalmente varía entre 50 y 85%.
Una práctica común es definir la capacidad de una bomba con el número a-dimensional llamado velocidad
específica, que se describe posteriormente, es función del número de revoluciones a las que giren sus
participantes rotatorias, de la siguiente forma se puede ser de alta o baja velocidad.
VELOCIDAD ESPECÍFICA: es un indicador el cual es calculado con la finalidad de tener una idea
general del tipo de bomba que se debe seleccionar en un sistema de bombeo, es un número
23
adimensional el cual es función del caudal, la velocidad de rotación del motor y la carga o altura de
bombeo. La velocidad específica Ns en una bomba se expresa en el sistema inglés, como:
√
[ ]
Ilustración 7 Muestra del tipo de impulsor según la velocidad especifica calculada.
Grafico 1 La grafica de velocidad especifica es una ayuda en la selección preliminar de bombas centrifugas de una
velocidad.
Las bombas centrifugas tienen velocidades específicas que van desde 50 hasta más de 10,000 según sea
el tipo de impulsor, como se muestra en la imagen 5. Las bombas rotatorias y reciprocantes tienen valores
24
más bajos. Las bombas centrifugas representan más del 80% del mercado en la industria de procesos
químicos, debido a que es la más adecuada para manejar más cantidad de fluidos que la de
desplazamiento positivo.
Velocidad específica es un indicador de las características de una bomba, y expresa la velocidad de una
unidad de tamaño (D) tal que, en régimen de funcionamiento homólogo, eleva la unidad del caudal (m2/s) a
la unidad de altura (m).
La velocidad especifica nos ayuda a determinar la capacidad de todas las bombas centrifugas. Ya que de
las leyes de semejanza de las maquinas hidráulicas que definen de similitud geométrica, cinemática y
dinámica, se deduce la relación analítica para la velocidad especifica. La similitud geométrica requiere una
razón común entre las dimensiones correspondientes, la cinética requiere una razón común para las
velocidades correspondientes y la dinámica requiere una razón común para las fuerzas correspondientes
(por ejemplo fricción, gravedad y tención superficial). 2
2.4. Cavitación:
La cavitación es un fenómeno
termodinámico según el cual el agua
cambia de estado al reducirse la
presión por debajo de un límite: la
tensión de vapor del líquido. Este
fenómeno es inherente al líquido y
puede aparecer en bombas, válvulas,
codos, etc, y en general en cualquier
punto o situación en la que se supere la
condición límite anteriormente
expresado.
CAVITACIÓN. Este fenómeno sucede cuando un líquido se mueve por una región (tubería) donde
la presión del líquido es menor que la tensión de vapor, lo que hace que el líquido hierva y se formen
burbujas de vapor en su seno.
La cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas hidráulicos donde se dan cambios bruscos de la
velocidad del líquido, teniendo como principales efectos; ruidos y golpeteos, vibraciones y la erosión del
material. Este fenómeno aparece cuando la energía no es suficiente para mantener las moléculas unidas,
entonces estas se separan unas de otras y aparecen burbujas de vapor.
2 BOMBAS. Selección, uso y mantenimiento. John H Doolin, Worthington Punp Inc. McGRAW HILL, Sección 1 Selección diseño y
estimación de costos, pag 5
Ilustración 8 Efectos de la cavitación en un impulsor.
25
¿Cómo puede evitarse la cavitación?
La cavitación es un efecto físico cuya aparición depende de las condiciones de funcionamiento. Por tanto,
cuando se proyecta una instalación debe intentarse que no aparezca la cavitación o que sus efectos sean
los menores posibles.
De cualquier manera la instalación debe ser efectiva y para ello es necesario elegir las válvulas
apropiadas.
Son aplicables los siguientes principios recomendaciones:
Utilice las válvulas de compuerta y mariposa solo para trabajar en posición completamente abierta
o cerrada y no en posiciones intermedias.
Las válvulas de paso anular son válvulas de control, pero deben ser elegidas en función de las
condiciones de trabajo (ej. De corona de aletas o de cilindros ranurados).
Para operar en condiciones extremas donde no podemos controlar la cavitación ni con válvulas
especiales, la regulación debe hacerse paso a paso (ej. orificio para contrapresión) o mediante la
admisión de aire en el punto de regulación.
Los problemas mecánicos que conlleva la
cavitación en las bombas son enormes ya que
además de la erosión aparecen fuertes
vibraciones, averías mecánicas, ruido, falta de
datos de servicio, etc.
Efectivamente, el comportamiento hidráulico de la
bomba se ve muy afectado. Cuando se produce la
cavitación, es porque la presión ha igualado a la
tensión de valor del líquido, y si se intenta
aumentar el caudal abriendo la válvula de
impulsión lo que se consigue es generar más
vapor, ya que durante el cambio de estado la
presión permanecerá constante.
2.5. Clasificación de las bombas
Para el transporte del líquido desde un recipiente a otro a través de una red de tuberías se utilizan
generalmente algún tipo de bomba mecánica. La energía que esta consume está en función, de la altura
de la cual se eleva el fluido, de la presión que se requiere en la descarga del fluido, de las características
de la tubería; tales como: longitud, diámetro, rugosidad relativa, de la velocidad del flujo, así como de las
propiedades físicas del fluido.
Grafico 2 Curva característica en cavitación
26
Algunas de las aplicaciones en el bombeo de líquidos en la industria de la ingeniería son; el transporte de
agua, ácidos, productos derivados de petróleo, productos de grado alimenticio, por mencionar algunos.
Estos fluidos pueden ser de baja o alta viscosidad, limpio o con partículas en suspensión, o ser corrosivo.
Todos estos factores influyen en la selección de una bomba.
Las bombas se clasifican según las consideraciones generales siguientes:
Por las características de movimiento de los líquidos.
Por el tipo de aplicación específica para los cuales se ha diseñado la bomba.
Clases y tipos.- Hay tres clases de bombas en uso común: centrífuga, rotatoria y reciprocante
“desplazamiento positivo”. Hay que tomar en cuenta que estos términos se aplican solamente a la
mecánica del movimiento de líquido y no al servicio para el que sea diseñada una bomba.
Ilustración 9 Clasificación de las bombas dinámicas
Esta clasificación toma en cuenta la forma en cómo el fluido se desplaza dentro de los elementos de la
bomba, así para aquellos en los que el fluido se desplaza a presión dentro de una carcasa cerrada, como
resultados del movimiento suavizada de un pistón o embolo, se le denomina “bombas de desplazamiento
positivo”, mientras que las bombas en las cuales el fluido es desplazado por el movimiento circular de uno
o varios impulsores provistos de alabe, se les denomina “Bombas Centrifugas”, estos tipos son el caso de
estudio de estas bombas.
La selección de una bomba consiste en conocer el sistema donde la bomba estará en funcionamiento.
Consiste en saber si la bomba succionará del recipiente y con alturas variables o si la bomba se instalará
en un sumidero o en una fosa. Así mismo es necesario conocer el líquido que la bomba manejará: si son
Dinamicas
Centrifugas
Flujo Radial
Flujo Mixto
Succión Simple
Succión Doble
Unipaso
Multipaso
Autocebantes
cebadas p/medios externos
Flujo Axial Succión Simple Unipaso
Multipaso
Perifericas Unipaso
Multipaso
Autocebantes
cebantes p/medios externos
Especiales Electromagneticas
27
volátiles, viscosos, calientes o pastas aguadas, para así manejar el concepto de densidad y partículas que
la bomba pueda impulsar.
Respecto a la forma física de la bomba se debe tener en cuenta que existen bombas de eje horizontal o
vertical, ambas de empujes centros o de desplazamiento positivo, baja o alta velocidad, también la
especificación de los materiales deben ser compatibles con los líquidos que se bombearán.
La bomba con desplazamiento positivo proporciona un caudal constante aproximado a velocidad fija,
independientemente de los cambios en la contrapresión. Existen dos tipos principales de bombas con
desplazamiento positivo:
Bombas rotatorias
Bombas de desplazamiento positivo
En la siguiente página se muestra la diferencia de rendimiento entre una bomba centrífuga, una bomba
rotatoria y una bomba de vaivén (Ilustración 11). En función de la bomba utilizada, un pequeño cambio en
la contrapresión de la bomba puede dar como resultado distintos caudales.
Ilustración 10 Clasificación de las bombas de desplazamiento positivo.
El caudal de una bomba centrífuga cambia considerablemente, el caudal de una bomba rotatoria cambiará
un poco, mientras que el caudal de una bomba de vaivén apenas cambia. Pero, ¿por qué hay diferencias
entre las curvas de las bombas de vaivén y rotatorias? En la práctica, la superficie de cierre es mayor para
las bombas rotatorias que para las bombas de vaivén. Por lo tanto, aunque las dos bombas estén
Bombas con desplazamiento positivo
Rotatorias
Rotor Multiple
Engranaje
Lobulo
Piston circunferencial
Tornillo
Rotor Simple
Alabe
Piston
Miembro Flexible
Tornillo
Desplazamiento positivo
Diafragma
Acción Doble
Simple
Doble
De Embolo
Acción Sensilla
Acción Doble
Simple
Doble
Triple
Multiple
28
diseñadas con las mismas tolerancias, las pérdidas en la separación para las bombas rotatorias son
superiores.
Normalmente, las bombas se diseñan con las tolerancias más estrictas posibles para obtener el mayor
rendimiento y la mayor capacidad de aspiración posibles. No obstante, en algunos casos es necesario
aumentar las tolerancias, como por ejemplo cuando las bombas tienen que procesar líquidos muy
viscosos, líquidos que contienen partículas y líquidos a alta temperatura.
Las bombas con desplazamiento positivo son
intermitentes, lo que significa que el volumen de su
caudal dentro de un ciclo no es constante. La
variación en el caudal y la velocidad conduce a
fluctuaciones en la presión debidas a la resistencia en
el sistema de tuberías y en las válvulas.
2.6. Partes constructivas de una bomba
centrifuga.
Es importante mencionar que existe gran diversidad
de diseños pero se pueden identificar dos partes
fundamentales. Un elemento estacionario que consiste
en la carcasa, los cojines y prensa estopas. Elemento
giratorio, incluyendo un impulsor y una flecha.
Se identifican más de 170 elementos de los cuales los
más usados se muestran en la Ilustración 12, que a
continuación se presenta en la ilustración 12.
Algunas de las características de estas bombas son
las siguientes:
Descarga de flujo continuo, sin pulsaciones.
Puede bombear todo tipo de líquidos, sucios abrasivos, con sólidos, etc.
Altura de succión máxima (variable de acuerdo a proceso).
Rangos de presión (variables).
Rangos de volúmenes (variables).
En este tipo de bombas el impulsor es el corazón de la bomba, pues es el componente que imprime la
velocidad al fluido; La carcaza de una bomba centrifuga, también tiene la posibilidad de ser de diferentes
diseños, tiene la función de hacer la conversión de energía cinética o de velocidad que se imparte al fluido
Ilustración 11 Relación entre caudal y altura para tres
tipos de bombas: 1) Centrifuga, 2) Rotativas, 3)
Vaivén.
29
por el impulsor, en energía de presión o potencial. Existen dos tipos básicos de carcazas; de tipo espiral y
de tipo difusor. Este último tipo de carcaza es utilizado en bombas de varias etapas.
En las bombas de tipo difusor si la combinación de carga (presión que tiene que vencer la bomba) es
mayor de la que se puede desarrollar con un solo impulsor, se puede hacer una combinación de
impulsores, con el flujo enserie donde el primer impulsor descarga a la succión del segundo, y así
sucesivamente; en éstos casos el gasto se mantiene constante a lo largo de los distintos impulsores, pero
la presión va adicionándose de impulsor en impulsor. Estas bombas se conocen como multi-etapas o de
varias etapas.
A diferencia de otros tipos de bombas, las centrífugas, operan a velocidad constante y proporcionan un
flujo desde cero hasta su valor máximo, en función de la carga, diseño propio y condiciones de succión.
Existen curvas características, típicas, de bombas centrífugas, donde se puede interrelacionar la presión
de descarga (carga), capacidad, potencia requerida y eficiencia de operación de la bomba, mismas de las
que hablaremos en otro capítulo.
Ilustración 12 Partes de una bomba centrifuga.
Lista de partes constructivas de una bomba.
1.- Carcasa.
1.A.- Carcasa (mitad inferior).
1.B.-Carcasa (mitad superior).
2.- Impulsor.
4.- Propulsor.
6.-Árbol de la bomba.
7.- Anillo de la carcasa.
8.- Anillo de impulsor.
32.- Cuña del impulsor.
33.- Cubierta de cojinete.
35.- Tapa de cojinete (interno).
36.- Cuña de hélice.
37.-Tapa de cojinete.
39.- Buje de cojinete.
40.- Desviador.
42.- Acoplamiento (mitad en el impulsor).
30
9.- tapa de succión.
11.- Tapa de estopero.
13.- Empaquetadura.
14.- Manguito del árbol.
15.- Tazón de descarga.
16.- Cojinete (interno).
17.- Collarín del estopero.
18.- Cojinete externo.
19.- Bastidor.
20.- Tuerca del manguito del árbol.
22.- Contratuerca del cojinete.
24.- Tuerca del impulsor.
25.- Anillo de cabeza del impulsor.
27.- Anillo de tapa de estopero.
29.- Anillo de cierre hidráulico.
31.- Cubierta de cojinete.
44.- Acoplamiento mitad en la bomba.
46.-Cuña del acoplamiento.
48.- Buje del acoplamiento.
50.- Contratuerca del acoplamiento.
52.- Pasador del acoplamiento.
59.- Tapa del agujero de acceso.
68.- Collar del árbol.
72.- Collar de empuje.
78.- Espaciador de cojinete.
85.- Tubo de alojamiento del eje.
89.- Sello.
91.- Tazón de succión.
101.-Cojinete del conector.
123.- Tapa de extremo de cojinete.
125.- Aceitera o grasera.
127.- Tubo de sello.
En las bombas reciprocantes, el pistón crean un vacío parcial dentro del cilindro permitiendo que el agua
se eleve ayudada por la presión atmosférica. La cantidad de agua que entra al espacio de desplazamiento
dependerá de la velocidad de la bomba, del tamaño de las válvulas de entrada y la eficiencia del material
sellante de las válvulas y del pistón.
Debido a la resistencia a la fricción que se desarrolla en sus partes en movimiento, las bombas
reciprocantes tienen una eficiencia relativamente baja; las perdidas en las carreras de cada pistón, los
engranes y las chumaceras se añaden a la resistencia de las partes móviles para dar un rendimiento bajo
en proporción a la potencia suministrada por la unidad motriz.
Ilustración 13 Bomba reciprocante horizontal de transmisión de doble efecto.
31
Las válvulas de las bombas de pistón son de dos tipos, las de succión que permiten la entrada al espacio
de desplazamiento, y las de descarga, que dejan que el agua pase hacia el tubo de descarga, estas
válvulas operan por la fuerza que ejerce sobre ellas el peso del agua, o por la acción ejercida por elemento
de desplazamiento (el émbolo).
Ventajas y desventajas de las bombas reciprocantes.
Ventajas:
Alta presión disponible.
Autocebantes (dentro de ciertos límites).
Flujo constante para cargas a presión variable.
Adaptabilidad a ser movidas manualmente o por motor.
Desventajas:
Bajo caudal.
Baja eficiencia comparada con las bombas centrifugas.
Muchas partes móviles.
Requieren mantenimiento a intervalos frecuentes.
Succión limitada.
Costo relativamente alto para la cantidad de caudal suministrado.
Requieren de un torque considerable para llevarlas a su velocidad.
Flujo pulsante en la descarga.
Se clasifican en:
Bombas de embolo o reciprocante.
Los elementos de una bomba reciprocante, comúnmente llamada de embolo o de pistón, cuentan con una
manivela o cigüeñal que gira con una velocidad uniforme, accionada por el motor, el embolo o pistón, se
mueve hacia adelante y hacia atrás del cuerpo del cilindro; en el golpe hacia afuera hace un vacío parcial
detrás del embolo permite a la presión atmosférica que obra sobre la superficie del agua en el pozo hacer
subir el agua dentro del tubo de acción, la cual, pasando por la válvula de succión llena el cilindro; en el
golpe hacia adentro, la válvula de succión se cierre y el agua es presionada a salir hacia el tubo de
descarga.
Eficiencia Volumétrica de una bomba de émbolo:
Gasto teórico:
Gasto efectivo:
32
Dónde: QE = Caudal efectivo m3/hr Qi = Caudal teórico m3/hr D = Diámetro m v = velocidad m/s
Bombas de embolo reciprocante de descarga variable.
En sistemas de transmisión de circuito hidráulico cerrado, es algunas veces necesaria una forma de
bomba cuyo gasto de descarga pueda ser variado sin cambiar la velocidad de rotación.
En estas bombas no son necesarias las válvulas que tiene las bombas de émbolos antes descritas; en su
lugar tiene dos entradas o ranuras semicirculares que obturan las extremidades de los cilindros, una de las
entradas está conectada a la tubería de succión y la otra a la de descarga. Así todos los cilindros del
bloque en el lado en que suben los émbolos, que es cuando se mueven hacia afuera, son puestos en
comunicación directa con la tubería de succión, mientras que el líquido descargado de los cilindros en los
cuales bajan los émbolos, tienen salida libre al tubo de descarga. Al fin de variar el gasto de descarga de
la bomba, es necesario alterar la carrera de los émbolos.
Bombas de diafragma.
Las bombas reciprocantes están provistas de un diafragma flexible reciprocante en vez de un émbolo o
pistón reciprocante, con lo cual se elimina la fricción y las fugas en el punto donde el émbolo atraviesa la
caja de empaque. Tales bombas son muy comunes en la actualidad para transportar combustible de los
tanques posteriores de los automóviles a los carburadores de los mismos.
Ilustración 14 Bomba estándar con impulsores de aspiración simple e impulsor de aspiración
33
2.7. Estructura de las bombas.
2.7.1. Tipos de impulsores.
Un rodete o impulsor, constituido por álabes que producen un cambio en el momento cinético del fluido, de
modo que su velocidad y presión a la salida son superiores a las de la entrada. Un impulsor es un disco
giratorio de hierro o acero con álabes en una bomba centrífuga3. Las bombas generan presión que ejercen
fuerzas sobre las partes fijas y giratorias de las bombas, los componentes están construidos para que
soporten esas fuerzas. Si las fuerzas axiales y radiales no están balanceadas, será preciso tener en
cuenta estas fuerzas al seleccionar el sistema de arrastre para la bomba.
Estas fuerzas se equilibran de una de las siguientes formas:
Mecánicamente por medio de soportes de presión. Estos tipos de cojinetes están diseñados
especialmente para absorber las fuerzas axiales de los impulsores
Por medio de orificios de equilibrado en el impulsor. Ilustración 15
Por medio de regulación del estrangulamiento desde un anillo de cierre montado en la parte
posterior de los impulsores. Ilustración 16
Impacto dinámico desde la parte posterior del impulsor. Ilustración 17
El impacto axial en la bomba se puede evitar utilizando impulsores de aspiración doble Ilustración
18
Ilustración 15
Equilibrando
fuerzas axiales en
bombas centrifugas
mono celulares
solamente con
orificios de equilibrado
Ilustración 16
Equilibrando las
fuerzas axiales en
una bomba
centrifuga mono
celular con
separación de cierre en el lado de la descarga
y orificios de equilibrado
Ilustración 17
Equilibrado de las
fuerzas axiales en
un bomba
centrifuga mono
celular con palas en
la parte posterior de los impulsores.
Ilustración 18
Equilibrado de las
fuerzas axiales en
una disposición de
impulsor con
aspiración doble.
3 http://mx.grundfos.com/service-support/encyclopedia-search.html?q=impulsor
34
Las bombas centrifugas de flujo radial se utilizan para cargas altas y caudales pequeños, sus
impulsores son por lo general angostos. El movimiento del fluido se inicia en un plano paralelo al
eje de giro del impulsor de la bomba y termina en un plano perpendicular a éste.
Las bombas centrifugas de flujo axiales se utilizan para cargas pequeñas y grandes caudales,
tienen impulsores tipo propala, de flujo completamente axial. La corriente líquida se verifica en
superficies cilíndricas alrededor del eje de rotación. La energía se cede al líquido por la impulsión
ejercida por los álabes sobre el mismo.
Las bombas centrífugas de flujo mixto se utilizan para cargas y caudales intermedios. La corriente
líquida se verifica radial y axialmente. La energía se cede al líquido mediante la acción de la fuerza
centrífuga y la impulsión ejercida por los álabes sobre el mismo.
2.7.2. Tipos de carcasas (Voluta)
Las fuerzas radiales son el resultado de la presión estática en la carcasa. Por lo tanto, podrían aparecer
desviaciones axiales y dar lugar a interferencias entre el impulsor y la carcasa. La magnitud y la dirección
de la fuerza radial dependen del caudal y de la altura.
Cuando se diseña una carcasa para la bomba, pueden ser controladas las fuerzas radiales hidráulicas.
Existen dos tipos de carcasas: carcasas con voluta simple y carcasas con voluta doble. Ambas carcasas
tienen forma de voluta. La diferencia entre ellas es que la carcasa de voluta doble tiene un álabe director
ilustración 19.
Ilustración 19 Fuerzas radiales de un impulsor de aspiración simple. Carcasas con voluta simple y voluta doble
La bomba con voluta simple se caracteriza por una presión simétrica para el punto de rendimiento óptimo,
que conduce a una carga radial nula. En todos los demás puntos, la presión alrededor del impulsor no es
regular y, en consecuencia, existe una fuerza radial. La carcasa con voluta doble desarrolla una baja
fuerza de reacción radial constante para cualquier capacidad. Ver Ilustración 20
En las bombas multicelulares se utilizan canales de retorno que tienen la misma función básica que las
carcasas con voluta. El líquido se conduce desde un impulsor al siguiente, y simultáneamente se reducen
35
la rotación del agua y la presión dinámica se transforma en presión estática. Debido al diseño circular de la
carcasa del canal de retorno, no existen fuerzas radiales.
2.7.3. Tipos de sellos mecánicos.4
La normativa API 682 e ISO 21049 especifican los
diferentes sistemas de sellado disponibles, con los
diferentes parámetros que deben de ser
considerados, tales como la disposición,
configuración, tipo de plan API, etc…
Un plan API determina la tubería o sistemas
auxiliares que se conectan a la cámara de sellado
y/o al sello mecánico. Algunas configuraciones de
sellos solo trabajan en combinación con el
apropiado plan API. Habitualmente, la combinación
del control externo y unidades de suministro que se realizan con ciertos planes API, se llaman “sistema de
suministro”. A continuación se presentan algunos planes de sello mecánicos.
Sello de junta tórica
En los sellos de junta tórica, el cierre entre el eje giratorio y la cara giratoria se efectúa mediante una junta
tórica. La junta tórica debe poder deslizarse libremente en la dirección axial para absorber los
desplazamientos axiales como resultado de los cambios de temperatura y el desgaste. La colocación
incorrecta del asiento fijo podría dar como resultado un frotamiento y, en consecuencia, un desgaste
innecesario de la junta tórica y el eje. Las juntas tóricas se fabrican con distintos tipos de material de
caucho, como NBR, EPDM y FKM, para adaptarse a las distintas condiciones de funcionamiento.
Sello de fuelles
Una característica común es la utilización de fuelles metálicos o de caucho que funcionan como elementos
de cierre dinámicos entre la junta giratoria y el eje.
Sello de fuelles de caucho
Los fuelles de caucho pueden estar fabricados con distintos tipos de material de caucho, como NBR,
EPDM y FKM, según las condiciones de funcionamiento.
En el diseño de los fuelles de caucho se utilizan dos principios geométricos:
Fuelles plegables
Fuelles enrollados.
4 Manual de bombeo, Grundfos indutrial solutions, Apartado 1.5 Líquidos, pag. 31
Ilustración 20 Fuerza radial para carcasas con voluta
simple y voluta doble
36
Sello de fuelles metálicos.
En un sello mecánico ordinario, el resorte produce la fuerza de sello necesaria para cerrar las caras del
sello. En un sello de fuelles metálicos el resorte se reemplaza por un fuelle metálico con una fuerza similar.
Los fuelles metálicos actúan tanto como un cierre dinámico entre la junta giratoria y el eje, como un
resorte. Los fuelles tienen un número de estrías para aportarles la fuerza de resorte necesaria.
Sello de cartucho
En un sello de cartucho mecánico todas las piezas forman una unidad compacta sobre una camisa de eje,
y están listos para su instalación. Ofrecen muchas ventajas si se comparan con los cierres mecánicos
convencionales.
2.8. Bombas horizontales contra verticales
En la Tabla 1 se detallan las ventajas y desventajas del uso de los diferentes tipos de bombas centrifugas
y en la Tabla 2 se enumera las frecuentes aplicaciones de cada tipo de bombas.
Tabla 1 Ventajas y desventajas (bombas verticales y horizontales)
Tipo de Bomba
Ventajas Desventajas
Bomba de eje horizontal
- Maquinas simples y versátiles. - De facilidad de instalación, operación y mantenimiento. - Económica en su adquisición y mantenimiento. - Pueden ubicarse en un área distante del punto de captación, favoreciendo su ubicación en lugares seguros y libres de inundación, aluviones, etc. - Utilizadas para el bombeo de considerables caudales a elevadas alturas.
- Presenta limitaciones en la altura de succión, limitado por la presión atmosférica, la temperatura y la altitud del lugar de operación. - Requieren mayor área superficial que la que demanda una bomba de eje vertical. - Necesitan instalación de accesorios en la tubería de succión para mantenerlas cebadas durante el arranque - Son sensibles a perder el cebado durante la operación afectando al servicio que presta.
Bomba de eje vertical
- Requieren espacios menores para ser instaladas, con lo cual es posible reducir los costos de construcción de la estación de bombeo. - La bomba puede trabajar alejada del motor, por tanto, ser instalada en un lugar de condición adversa o sumergida en el líquido a bombear (pozo seco o húmedo). - Pueden ser instaladas en lugares en los que la gran altura de succión u otros factores impiden la instalación de una bomba de eje horizontal (alturas mayores a 7 metros) - Pueden ser diseñadas para operar en serie mediante etapas superpuestas con un solo motor, para incrementar la presión que puede desarrollar la bomba. - Admite una diversidad de configuraciones para su accionamiento: directamente por un motor eléctrico, acoplados a un motor de combustión interna (gasolina o diésel) o
- No recomendables para grandes profundidades porque requieren de un eje de transmisión excesivamente largo, lo cual puede resultar muy costoso. - El alineamiento vertical es exigente. - Elevado ruido eléctrico de los motores. - Mayor dificultad para la operación y mantenimiento; se requiere mano de obra especializada.
37
tener un accionamiento mixto (eléctrico y combustión interna), asegurándose de esta manera su operación permanente. - Cuando son instaladas en pozos profundos, tienen gran flexibilidad de adaptar las condiciones de bombeo a las características del pozo, ya que presentan muchos parámetros que son susceptibles a ser ajustados. - Alta confiabilidad, su construcción responde satisfactoriamente hasta en las condiciones más severas y prolongada vida útil. - Si se compara su funcionamiento en un pozo hasta 20 metros de profundidad, su eficiencia es mayor que la que puede lograr una bomba sumergible.
Bomba sumergible
- La bomba y motor trabajan como un conjunto único sumergidos en el agua. - Económicamente ventajosa para pozos muy profundos. - Por debajo de 20 metros son más ventajosas que las bombas de eje vertical. - Se prefiere su instalación en pequeños diámetros por que no exigen la condición de verticalidad perfecta del pozo. - Mínima frecuencia de mantenimiento, puede operar mucho tiempo antes de requerir reparaciones. - Motor y bomba trabajan sumergidos lo cual se consigue aislar el ruido durante la operación. - Motor acoplado directamente al eje de la bomba, velocidad bomba-motor muy compacta con lo que se evitan largos tramos de eje y numerosas bocinas para el acoplamiento de ambos elementos. - Pueden ser instalados en pozos relativamente curvos o desalineados.
- Gran dificultad en la instalación la bomba, debido al que motor va sumergido - Alto costo inicial del motor. - Requieren elevados costos en la operación y mantenimiento del equipo. Requieren de costosos y complicados elementos de control. Existe rápido desgaste de piezas de hierro expuestas a corrosión. - Se debe evitar el arranque de la bomba fuera del agua. Muy sensible al ingreso de arenas y agua al motor. - Requiere mano de obra calificada para la operación y mantenimiento. - Para el mantenimiento hay que extraer la bomba y el motor del pozo, debiéndose paralizar el servicio. - Concebidas con velocidades de rotación elevada que reduce la vida del motor. - Están disponibles en pocas velocidades y sin opción de ser variadas. - En comparación a las bombas de turbina vertical requiere un mayor consumo de energía por volumen de agua extraída.
Tabla 2 Aplicaciones.
Tipo de fuente Tipo de bomba recomendado
Pozo profundo. - Bomba centrifuga vertical, sumergible (cilíndrica, angosta). - Bomba axial vertical sumergible (cilíndrica angosta)
Pozo excavado para agua potable
- Bomba centrifuga vertical sumergible - Bomba axial vertical sumergible - Si altura de succión menor a 4m: - Bomba centrifuga horizontal, no sumergible - Bomba centrifuga vertical, no sumergible
Cuerpo de agua superficial - Bomba centrifuga vertical, sumergible (cuerpo chato) - Bomba centrifuga horizontal (sobre plataforma flotante o móvil). - Bomba axial horizontal (sobre plataforma flotante o móvil).
Cámara de aspiración de agua residual
- Bombas centrifuga vertical, no sumergible
38
2.9. Materiales para partes de una bomba.
Tabla 3 Partes y Materiales para una bomba.
Parte Material ASTM
I-1 I-2 S-1 S-3
FF FF
FF BR
AC FF
AC Ni-Resist
Caracaza Si Hierro fundido Hierro fundido Acero al carbono Acero al carbono
Internos (tazones, difusores, diafragma)
Impulsor
No
Si
Hierro fundido Bronce Hierro fundido Ni-Resist
Anillos de desgaste de carcaza
No Hierro fundido Bronces Hierro fundido Ni-Resist
Anillos de desgaste de impulsor
No Hierro fundido Bronce Hierro fundido Ni-Resist
Flecha Si Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono
Manga de flecha para
empaquetadura
No 12% de cromo endurecido
Bronce duro 12% de cromo endurecido
12% de cromo endurecido
Manga de flecha para sello mecánico
No Acero inox. 12% cromo
Acero inox. 12% cromo
Acero inox. 12% cromo
Acero inox. 12% cromo
Buje garganta No Hierro fundido Bronce Hierro fundido Ni-Resist
Mangas de interetapas
No Hierro fundido Bronce Hierro fundido Ni-Resist
Bujes de interetapas
No Hierro fundido Bronce Hierro fundido Ni-Resist
Brida del prensaestopa /
sello
Si Acero Inox. 316 Acero Inox. 316 Acero Inox. 316 Acero Inox. 316
Junta de la carcaza
Cabezal de descarga/lata de
succión
No
Si
Asbesto con espiral de acero inox.
Acero al carbono
Asbesto con espiral de acero
inox.
Acero al carbono
Asbesto con espiral de acero inox.
Acero al carbono
Asbesto con espiral de acero
inox.
Acero al carbono
Bujes de flecha columna / tazon
No Nitrilo Bronce Carbono relleno Nitrilo
Tornillería Si Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono
2.10 Especificaciones y acoplamiento en ejes
2.10.1 Especificaciones.
La hoja de datos describe y puntualiza las características que debe de tener la bomba. Sin embargo, hay
detalles que no se incluyen por lo que se impone la redacción de unas especificaciones donde se indiquen
los requisitos mínimos que deban cumplir las maquinas.
Como ejemplo y base de estas especificaciones se tienen las Normas API; la numero 610 se ocupa de las
bombas centrífugas para procesos. Muchas empresas se amparan exclusivamente en esta norma pero es
importante que el usuario desarrolle sus propias normas, llenando en esta forma algunas de las lagunas
que las referidas Normas API 610 dejan, a la vez que se adaptan a las propias necesidades y exigencias.
Las especificaciones de este tipo deben incluir el diseño tanto de la propia bomba como el de las
bancadas, acoplamientos, ejes, equipo de accionamiento, impulsores, aros de roce, cojinetes, camisas,
refrigeraciones, placas de características, etc., describiéndose todo en cuanto formas, dimensiones, tipos,
39
marcas deseadas en los materiales en serie a emplear, tolerancias de fabricación y materiales a utilizar en
función de las temperaturas, presiones y naturaleza del fluido.
Se describirán las inspecciones y pruebas que se pretendan efectuar en la bomba, tolerancias aceptables
en los datos obtenidos, delimitación de responsabilidades etc. Se indicará también la información técnica
que debe acompañar a cada bomba. El fabricante deberá indicar que puntos de la especificación no puede
cumplir o propone modificar. Este punto será importante al efectuar el estudio comparativo de los distintos
ofertantes.
La mejor selección que sobresale de bombas necesita cooperación entre el usuario y el fabricante. Las
hojas de datos estándar ayudan a la presentación de los datos del proceso. En estas hojas la información
está muy resumida, por eso el profesional o técnico responsable de la adquisición de la bomba es
solicitado en ocasiones para proporcionar esquemas de la instalación y detalles complementarios.
Cuando son tenidos en cuenta los factores de tolerancia es preferible anotar los valores calculados de por
ejemplo cabeza y capacidad y los valores deseados de diseño. Un factor arbitrario puede representar la
selección de una bomba muy costosa. Las bombas que deben ser especificadas como auxiliares para dos
servicios diferentes, comparando el trabajo o potencia para cada servicio, la presión diferencial y la
capacidad.La cabeza dada por una bomba centrífuga permanece casi invariable para una capacidad dada
independiente de la gravedad específica, (cabeza en pies x libra / libra del fluido = pies).
2.10.2 Acoplamiento en ejes
El modo de montaje de una bomba se determina por la posición de su eje:
Dirección del eje, horizontal o vertical, La posición de sus patas, abajo o a la altura del eje. La posición de la máquina de accionamiento. La distribución de pesos de bomba y máquina de accionamiento
Tabla 4 Montajes de una bomba Superficial
Montaje Línea del eje Patas Máquina de accionamiento
Observaciones
Horizontal Abajo Coaxial con acoplamiento o
engranaje
Banco (soporte) común
Horizontal A la altura del eje
Coaxial con acoplamiento o
engranaje
Banco (soporte) común
40
Horizontal Abajo Eje paralelo sobre la bomba, con poleas y correas trapezoidales
Economía de espacio fácil acomodo
Horizontal Abajo Eje paralelo sobre la bomba, accionamiento con poleas y correas y
eje de bomba prolongado
Economía de espacio fácil acomodo
Horizontal Abajo Grupo mono-bloque bomba y motor encapsulados
herméticamente
Inundable en su totalidad
Tabla 5 Montajes de una bomba sumergible
Montaje Dirección del eje
Patas Máquina de accionamiento
Observaciones
a B c
Vertical --- Sobre linterna soporte a nivel
superior
Disposición húmeda A) tubería de impulsión
ascendente
Vertical Placa de asiento debajo de la
tubuladura de impulsión
A) sobre linterna soporte a nivel
superior. B) sobre linterna soporte a nivel
superior y mediante eje
articulado C) sobre linterna soporte a nivel
inferior
Disposición en seco
Vertical A) en codo de acople
automático B) pata de apoyo
Grupo sumergible
disposición húmeda A) estacionaria
B) portátil
41
Ilustración 21 Formas correctas para la instalación de bombas (succión y descarga).
2.11. Puesta en marcha y mantenimiento.
2.11.1. Puesta en marcha.
Para poner en marcha una bomba centrifuga hay que tener presente las siguientes consideraciones:
Se deberá de comprobar todos los purgadores, bridas, líneas, etc.
Si la bomba es de reciente instalación, se deberá comprobar que puede girar sin dificultad
rodándola a mano. Comprobar que el sentido de rotación del motor es el correcto.
Comprobar la lubricación de los cojinetes y partes móviles.
Comprobar cierres de líquidos.
Cerrar la válvula de impulsión, abrir la de aspiración plenamente y llenar de líquido la carcasa,
debiendo purgar el aire o vapor por el purgador situado en la parte más alta de la carcasa.
Poner en macha la bomba hasta la presión normal y abrir entonces la válvula de impulsión y
asegurarse que la presión se mantiene.
2.11.2. Paro de una bomba.
Cerrar la válvula de impulsión, esto reduce la carga del motor y evita el retroceso si la válvula de
retención no funcione.
Se deberá parar el motor o turbina.
42
Dejar la bomba llena de líquido a menos que le producto tenga un alto punto de congelación o
viscosidad.
Si se realiza en la bomba alguna reparación, se deberá cerrar todas las válvulas de bloqueo y
vaciar la bomba.
2.11.3. Fallos en la instalación
Funcionamiento incorrecto de las válvulas de regulación o de cierre.
Si hay un fallo en el sistema de amortiguación la válvula puede cerrarse bruscamente en lugar de
lentamente como estaba diseñado.
Aire en los conductos hidráulicos.
La entrada o acumulación de aire en los conductos de control hidráulico producirá un
funcionamiento incorrecto de las funciones de regulación.
Fallo del venteo o de las válvulas de purga.
Bloqueos por aire en la conducción.
Fugas de aire por orificios. El paso de aire a agua puede crear oscilaciones.
2.11.4. Medidas preventivas (control de las ondas de presión)
Para prevenir altas y bajas presiones inaceptables en el sistema de tuberías hay que tener en cuenta lo
siguiente:
Diseñar la tubería de impulsión para bajas velocidades de flujo.
Aumentar la masa de inercia y por tanto el tiempo de parada del conjunto de la bomba utilizando un
volante de inercia.
Instalar un equipo para suministrar líquido a la instalación durante el arranque y parada, por
ejemplo, un depósito con cámara de aire / líquido, un depósito en aspiración, un bypass de retorno
a la cámara de aspiración o una tubería de apoyo al comienzo de la tubería de impulsión.
Una buena elección de los intervalos de apertura y cierre y del modo de cierre de las válvulas de
regulación y cierre.
Reducción del tiempo de reflexión tr de la instalación utilizando tramos de conducción tan cortos
como sea posible, o en el caso de instalaciones de gran longitud instalando puntos de reflexión
intermedios, por ejemplo una cámara de compensación en el punto más alto.
Instalación de válvulas de seguridad para vacío en puntos de la instalación donde se podría
evaporar el líquido si hubiera ondas de presión negativas.
Instalación de equipos para aliviar la acumulación de líquido, por ejemplo, escapes adicionales o
válvulas de seguridad.
2.11.5. Mantenimiento
Si se siguen unas cuantas instrucciones al armar y desarmar la bomba se pueden economizar tiempo,
trabajo y problemas. Estas instrucciones son aplicables a toda clase de bombas.
Al desarmar la bomba
43
No es necesario desconectar la tubería de succión o de descarga ni cambiar la posición de la
bomba.
La tubería auxiliar debe desconectarse sólo en los puntos en que sea necesario para quitar una
parte, excepto cuando hay que quitar la bomba de la base.
Después de haber desconectado la tubería, debe amarrarse un trapo limpio en los extremos o
aberturas del tubo para evitar la entrada de cuerpos extraños.
Emplear siempre un extractor para quitar un acople del eje.
Las camisas del eje tienen roscas para apretarle en sentido contrario a la rotación del eje.
Después de desarmar la bomba
Antes de hacer la inspección y el chequeo, limpie las partes cuidadosamente. Los residuos gomosos y
espesos pueden quitarse a vapor. El lodo, el coque o depósitos de sustancias extrañas similares a las
anteriores pueden quitarse por medio de un chorro de arena, trabajo que se hace cuidadosamente para
que no forme huecos ni dañe las superficies labradas de la máquina.
Reensamblaje
La bomba hidráulica es una máquina construida con precisión. Las tolerancias entre las partes giratorias y
las estacionarias son muy pequeñas y debe ejercerse el mayor cuidado para ensamblar adecuadamente
sus partes con el objeto de conservar estas tolerancias. El eje debe estar completamente recto y todas las
partes deben estar absolutamente limpias. Un eje torcido, mugre o lodo en la cara del eje impulsor, o sobre
la camisa de un eje puede ser causa de fallas o daños en el futuro.
Los impulsores, las camisas del espaciador y las del eje constituyen un ensamblaje resbaladizo bastante
ajustado al eje. Debe usarse una pasta delgada de aceite al ensamblar estas partes en el eje.
Acople de bomba hidráulica
Los acoples de bomba, excepto los de tipo roscado, constituyen un ajuste que se encogerá ligeramente
sobre el eje; con el objeto de ensamblar el acople con facilidad y precisión, el acople debe expandirse
calentándolo a 300°F, en un baño de aceite y ensamblarse con el eje mientras está caliente.
2.12 Normas de bombas
EN 733 Bombas centrífugas de aspiración axial, categoría 10 bares con brida para cojinetes
EN 22858 Bombas centrífugas de aspiración axial (categoría 16 bares) - Denominación,
dimensiones y punto de servicio nominal
Normas relacionadas con bombas:
ISO 3661 Bombas centrífugas de aspiración axial - Dimensiones de instalación y bancada
EN 12756 Sellados mecánicos - Códigos de materiales y denominación, dimensiones principales
EN 1092 Bridas y sus uniones - Bridas circulares para tuberías, válvulas, acoplamientos y
accesorios, designación de PN
ISO 7005 Bridas metálicas
44
DIN 24296 Bombas, y bombas para líquidos: Repuestos
Especificaciones:
ISO 9905 Especificaciones técnicas para bombas centrífugas - Clase 1
ISO 5199 Especificaciones técnicas para bombas centrífugas - Clase 2
ISO 9908 Especificaciones técnicas para bombas centrífugas - Clase 3
ISO 9906 Bombas rotodinámicas - Pruebas de rendimiento hidráulico -Grados 1 y 2
EN 10204 Productos metálicos - Documentos de tipos de inspección
ISO/FDIS 10816 Vibraciones mecánicas - Evaluación de vibraciones en máquinas mediante
mediciones en partes no giratorias
45
Capitulo. III Condiciones de operación
Se debe especificar el tipo y las características del líquido a bombear, es importante para determinar el
tipo y tamaño de la bomba, tipo de impulsores y para establecer los materiales a utilizarse. Son
importantes los siguientes parámetros físicos y químicos del líquido a bombearse:
3.1. Características del líquido
Temperatura: Debe ser indicado el rango de temperatura del líquido en el cual trabajará la bomba,
es recomendable ser muy concreto en este aspecto.
Gravedad específica: Debe ser indicado la gravedad específica del líquido a la temperatura de
bombeo, es vital para una correcta determinación de la potencia de la bomba.
Viscosidad: Cuando la viscosidad del líquido manejado es distinta a la del agua, la capacidad de la
bomba y la altura y potencia de bombeo deben ser corregidas.
pH: El conocimiento del pH que tenga el líquido a bombearse servirá para seleccionar el material
adecuado de la bomba y sus componentes.
Soluciones en suspensión: El tamaño y naturaleza de los sólidos suspendidos en el líquido
determinarán el tipo y el material del impulsor. Si los sólidos son muy abrasivos, se requerirá de impulsor
abierto y hasta en algunos casos forrados con caucho. Cuando los sólidos son de gran tamaño es
conveniente utilizar impulsores abiertos del tipo helicoidal.
3.2. Características de la bomba.
La bomba centrífuga tiene varias características las más importantes son las mencionadas a continuación:
Número de fases: En función del número de impulsores de la bomba, una bomba centrífuga puede
ser mono-fascia o multifasica.
Posición del eje de la bomba: Las bombas mono-celulares y multicelulares pueden tener el eje de
la bomba en posición horizontal o vertical. Se denominan bombas horizontales o verticales.
Impulsores con aspiración sencilla o aspiración doble: Dependiendo de la construcción del
impulsor, una bomba puede equiparse con un impulsor de aspiración simple o de aspiración doble.
Acoplamiento de células: Las células de la bomba se pueden disponer de dos modos: en serie y en
paralelo.
Construcción de la carcasa de la bomba: Podemos distinguir entre dos tipos de carcasa de la
bomba: carcasa en forma de voluta y carcasa con canal de retorno y álabes directores.
46
3.3. Tipo de servicio
Para seleccionar equipos de bombeo se debe considerar el número de horas al día que trabajará la bomba
y en que periodos.
Es recomendable por razones económicas y operativas que el periodo de bombeo en un día sea menor a
12 horas, que podrán ser distribuidas en una o más operaciones (arranques) de bombeos diarios. También
tienen que considerarse las recomendaciones del fabricante de los equipos de bombeo con respecto al
número máximo de arranques por día de sus equipos.
Cuando las condiciones de funcionamiento de una estación de bombeo sean muy cambiantes, es más
recomendable la utilización de bombas de velocidad variable.
3.4. Accionamiento de bombas
3.4.1. Motor eléctrico
Los motores eléctricos son las máquinas motrices más empleadas para propulsar de manera simple y
eficiente las bombas utilizadas. Sus ventajas radican en su reducido tamaño y peso en comparación con
otros sistemas motrices; en su limpieza, no contaminan el medio ambiente y producen menos ruido; en su
facilidad de operación y finalmente en menor costo en comparación a sus similares de combustión interna.
Su principal desventaja es que no pueden ser utilizadas en lugares donde se carece de energía eléctrica.
Los tipos de motores:
De corriente alterna, se usan mucho en la industria, sobretodo, el motor trifásico asíncrono de jaula
de ardilla.
De corriente continua, suelen utilizarse cuando se necesita precisión en la velocidad, montacargas,
locomoción, etc.
Motores universales, son los que pueden funcionar con corriente alterna o continua, se usan mucho
en electrodomésticos. Son los motores con colector.
En general, los motores eléctricos más económicamente empleados son los trifásicos de 60 ciclos con
corriente alterna, pero en ocasiones no es posible seguir este criterio debido al tipo de corriente que se
utiliza localmente. El voltaje más frecuentemente utilizado, sobretodo en pequeñas plantas es de 220
voltios.
A continuación se nombran los principales criterios para la selección de motores eléctricos:
Potencia nominal
Velocidad nominal
Torque
Frecuencia y nuero de faces
Voltaje nominal
47
Corriente de arranque
Factor de potencia
Condiciones del medio ambiente
Criterios económicos
3.4.2. Motor de combustión.
Los motores diesel, de gasolina y de gas natural o propano son motores de combustión interna que en
ocasiones se emplean para accionar bombas en general. Utilizando el combustible para que funcione. En
el motor, la conversión en energía térmica se produce a través de un proceso de combustión en el que el
combustible se mezcla con el oxígeno atmosférico, produciendo gases que al expandirse accionan el
cigüeñal por medio del pistón, lo cual permite disponer de energía mecánica en el punto de salida del
motor (embrague).
Este tipo de motores son de uso obligatorio para el accionamiento de bombas ubicadas en lugares muy
apartados en donde no se dispone de suministro eléctrico o es muy poco fiable. Los más empleados son
los motores diesel y el de gasolina, sin embargo no se debe descartar el uso de los motores a gas,
sobretodo porque la comercialización del gas natural y del gas licuado de petróleo se ha multiplicado en
los últimos tiempos.
El motor diesel sea el más utilizado debido a su larga vida de servicio, a su alta eficiencia, al ahorro de
combustible que se obtiene, operan con un riesgo reducido de incendio. Las desventajas de este tipo de
motores radican a que son máquinas que requieren mayor inversión inicial, mayor costo de mantenimiento,
su operación es más complicada.
Los motores de gasolina pueden operar a mayores velocidades y su lubricación es obtenida más
fácilmente, debido a las temperaturas menores a que trabajan. Son máquinas de menor peso por caballo
de fuerza, de más fácil operación y su costo inicial es menor. Una de las mayores desventajas está en los
problemas derivados del almacenamiento del combustible.
48
Capitulo. IV Curvas característica
Curva característica Significado
Potencia Esta curva indica la potencia que se puede esperar para cada número de
revoluciones; es una curva ascendente con pendiente acentuada disminuyendo
rápidamente a altas velocidades.
Consumo especifico Esta curva varía muy poco en un gran rango de velocidades pero a altas
velocidades aumenta el consumo específico notoriamente.
Torque o par al freno Tiene en los motores a gasolina mayor variación con la velocidad que en los
Diesel, los cuales tienen también un valor mayor del torque.
Presión media efectiva Indica la potencia relativa de una máquina a una determinada velocidad por lo
cual se prefieren valores altos, un medio de obtener valores altos es mejorando
la eficiencia volumétrica o por sobrealimentación.
Eficiencia térmica al freno Esta curva tiene su valor máximo a la velocidad de mínimo consumo específico,
la variación de ésta con la velocidad es inversa a la del consumo específico.
Vacío en el múltiple de
admisión
Con esta curva se puede verificar el tamaño apropiado de carburador y la
sincronización de las válvulas. Cuando es demasiado alto el vació, significa que
hay mucha resistencia en el flujo de admisión lo cual reduce la eficiencia
volumétrica y por lo tanto la potencia
Las curvas características que se presentan en una bomba, representan gráficamente; la carga de la
bomba H, la potencia requerida o potencia al freno N, y el rendimiento η, con respecto al caudal Q, a una
velocidad de rotación contante. Estas curvas características se determinan, normalmente por los
fabricantes, mediante ensayos de laboratorio. El ensayo se realiza manteniendo constante en número de
revoluciones por minuto (N) se varia el gasto (Q) y se obtiene experimentalmente la carga (H), la potencia
(BHP) y la eficiencia (η). A todo esto se le conoce como curvas características de una bomba.
Las curvas características definen las condiciones de operación de una bomba, se pueden obtener
trabajando cerca del punto máximo de rendimiento, PMR, es decir, que donde la ordenada que pasa por le
PMR, corta a la curva de carga de la bomba, como se ve en la Grafico 3.
49
Una forma de visualizar fácilmente el
funcionamiento de un sistema de tuberías
es utilizando las curvas características. La
idea consiste en resolver de forma gráfica
las ecuaciones que definen un
determinado problema.
El comportamiento hidráulico de una
bomba viene especificado en sus curvas
características que representan una
relación entre los distintos valores del caudal proporcionado por la misma con otros parámetros como la
altura manométrica, el rendimiento hidráulico, la potencia requerida y la altura de aspiración, que están en
función del tamaño, diseño y construcción de la bomba.
Grafico 4 Comparación de las curvas características de una bomba centrifuga y de una de flujo axial
Por lo tanto cada modelo tiene su propio comportamiento característico. La grafica siguiente muestra las
curvas características de dos tipos de bombas diferentes, la bomba centrifuga o radial y la de flujo axial.
Ver gráfico 4.
4.1 Relación de las curvas características con bombas
La curva característica es un gráfico que representa la relación entre la cabeza total y la cantidad de flujo,
este determina la velocidad de rotación de su impulsor. El impulsor o rodete de una Bomba Centrífuga es
el componente que, a través de su rotación a altas velocidades, incrementa la velocidad del fluido
generando a la vez el incremento de la energía cinética en el fluido bombeado (produciendo el incremento
Grafico 3 Curvas características de una bomba.
50
de presión buscado con el uso del Equipo de Bombeo). Las características geométricas (forma, tipo y
tamaño) del impulsor son las que definen la Curva Característica de una Bomba Centrífuga.
De esta forma, los fabricantes de las Bombas para Agua y otros productos, suelen generar para cada uno
de sus modelos, Catálogos desde los cuales el diseñador de las Estaciones de Bombeo, pueda
seleccionar la Curva Característica de una Bomba Centrífuga en función del punto de operación de la
instalación en la que ésta se dispondrá.
Por lo que la relación entre las curvas características y una bomba está en la dimensión del diámetro del
impulsor, ya que este es el que da la carga y altura de bombeo suministrada por la bomba, para un mismo
caudal. Ver ilustración 22.
Ilustración 22 Descripción de las curvas características de una bomba.
4.2. Construcción de curvas características.
Estas curvas, obtenidas experimentalmente en un banco de pruebas, son proporcionadas por los
fabricantes a una velocidad de rotación determinada (N). Se representan gráficamente, colocando en el eje
de abscisas los caudales y en el eje de ordenadas las alturas, rendimientos, potencias y alturas de
aspiración.
4.3. Curva altura manométrica-caudal. Curva H-Q.
Para determinar experimentalmente la relación H y (Q) correspondiente a unas revoluciones (N) dadas, se
ha de colocar un vacuómetro en la aspiración y un manómetro en la impulsión, o bien un manómetro
diferencial acoplado a dichos puntos. En la tubería de impulsión, aguas abajo del manómetro, se instala
una llave de paso que regula el caudal, que ha de ser aforado.
51
La velocidad de rotación se puede medir con un tacómetro o con un estroboscopio. Con un accionamiento
por motor de corriente alterna, dicha velocidad varía muy poco con la carga.
La relación H (Q) tiene forma polinómica:
La curva que se obtiene corta el eje (Q = 0) en un punto en el que la bomba funciona como agitador,
elevando un caudal nulo.
4.4. Curva rendimiento-caudal.
El rendimiento de la bomba o rendimiento global es la relación entre la potencia útil o hidráulica y la
potencia al freno. Este es, en general, suministrado por los constructores de la bomba, y considera las
pérdidas por fugas (rendimiento volumétrico) y por rozamientos en ejes y caras del impulsor (rendimiento
mecánico).
La curva característica rendimiento-caudal para tres tipos de bombas distintas la podemos ver en la figura.
En general la curva del rendimiento podrá ajustarse a una expresión del tipo:
El rendimiento es nulo para un caudal nulo y para un caudal máximo. Entre ambos el rendimiento varía,
alcanzando el máximo en un punto correspondiente a un cierto caudal, llamado caudal nominal de la
bomba, que es aquel para el cual ha sido diseñada la bomba.
4.5. Curva potencia-caudal.
En la teoría, la potencia suministrada por el eje del impulsor es:
Ph = potencia hidráulica
En la práctica, las pérdidas por rozamiento hidráulico, mecánico y las posibles fugas dan lugar a que la
potencia al freno P absorbida al motor por el eje de la bomba sea diferente de Ph. Su valor se obtiene en
laboratorio mediante un dinamómetro o freno, aplicando la relación:
Siendo T el par resistente de la bomba, el cual es el producto de [F x r] donde r es el brazo donde se aplica
la fuerza tangencial F. N es el número de revoluciones o vueltas en la unidad de tiempo, o velocidad
angular. La relación entre la potencia hidráulica (P salida) y la potencia al freno (P entrada) mide el
rendimiento global. Se determina a partir de la ecuación:
52
La potencia absorbida por el eje de la bomba o potencia al freno es la potencia que necesita la bomba
para realizar una determinada cantidad de trabajo. Es igual a la potencia hidráulica o potencia que
necesita la bomba para elevar el agua, más la potencia consumida en rozamientos, y viene determinada
por la fórmula:
Dónde: P = potencia bomba (w)
= peso específico (N/m3) Q = caudal (m3/s) H = altura manométrica total (m)
= rendimiento de la bomba (º/1).
También se puede utilizar la siguiente expresión para Potencias expresadas en C.V.
Dónde: P = potencia bomba (C.V.) Q = caudal (l/s) H = altura manométrica total (m)
= rendimiento de la bomba (%).
Para cada posición de la llave de regulación del caudal, se determinará la potencia P, con lo que la curva
característica P (Q). La potencia absorbida por la bomba es la que tiene que suministrar el motor (eléctrico
o combustión o hidráulico) por el rendimiento de dicho motor (ηm).
Curvas carga neta positiva de aspiración requerida (NPSHr)-Caudal.
Grafico 5 Curvas NPSHr - Q, de 4 bombas iguales pero con distinto diámetro de rodete
La NPSHr en una bomba a velocidad constante aumenta con el caudal como se muestra en el Grafico 5.
En la Grafica 6 se representa las curvas de igual rendimiento en el diagrama Altura-Caudal para distintas
velocidades de giro del rotor. Este gráfico, por tanto, nos suministrará información de velocidad rotación,
53
caudal, altura y rendimiento. Por ejemplo, para obtener un caudal de 100 l/s a una altura manométrica de
30 m se requiere una velocidad de 850 r.p.m. y se obtiene un rendimiento del 70 %.
Grafico 6 Curvas características a distintas velocidades de una misma bomba A) Altura caudal; B) Rendimiento
caudal; C) Potencia caudal; D) de igual rendimiento en el diagrama Altura Caudal
El funcionamiento de
una bomba es función
de sus características y
de las características
del sistema de bombeo.
Para encontrar el punto
de operación de una
bomba, se deben trazar
dos curvas, la altura
total entregada por la
bomba (ht vs. Q) y la
curva característica del
sistema (hr vs. Q).
Ambas curvas se deben
trazar en función del
caudal y a una
velocidad de giro constante. El punto de operación es la intersección de estas dos curvas. El caudal y la
curva de operación de la bomba, se determinan hallando dicha intersección, tal como se muestra.
Grafico 7 Punto de operación de un sistema de bombeo.
54
En la figura, se muestra la superposición de la curva característica de la bomba y de la curva de demanda
del sistema en estudio. La distancia ΔZ, representa la diferencia de nivel entre los dos depósitos, cuando
esta diferencia es nula la curva parte de cero.
El punto de intersección de
las curvas determina los
valores de la altura de
bombeo HBOMBEO y el caudal
de operación QOPERACION.
Este punto puede ser, o no,
el punto de máximo
rendimiento para la bomba.
Si el punto de operación no
está cerca del PMR, significa
que la bomba no es la
adecuada para las
condiciones que se requieren
y habrá que elegir otra
bomba.
Una bomba dada en un sistema dado solo entregara el caudal correspondiente a la intersección de las
curvas. Si el caudal de operación obtenido no es el que se requiere se tendrá que varias una de las
curvas, es decir la curva característica de la bomba o la curva característica de demandad del sistema.
Por ejemplo si tenemos una bomba que desarrolla una revolución n1, y al superponerla con la curva del
sistema, nos da un caudal de operación Q1, se puede dar el caso que el caudal obtenido por dicha
intersección Q1, sea mayor al
caudal que se requiere en el
sistema. En este caso se puede
disminuir las revoluciones del
motor, si este así lo permite, para
obtener el caudal deseado, se
obtendrían de este modo unas
revoluciones del motor n2, como
se aprecia en la gráfica 8.
Para lograr cambiar la curva del
sistema, se debe generar mayor
Grafico 8 Variación de la velocidad de revolución.
Grafico 9 Punto de operación de un sistema de bombeo.
55
pérdida de carga, con una válvula de estrangulación y la nueva curva del sistema se desplaza hacia la
izquierda, tal como se muestra en la gráfica 8 hasta obtener el caudal deseado.
El sistema debe de operar siempre muy cerca al punto de operación, teniendo variaciones máximas
recomendadas según el gráfico 9, donde el caudal no debe disminuir más de un 25% ni incrementarse
más de un 10% con respecto al caudal del punto de operación del sistema.
El ensayo de una
bomba es un conjunto
de ensayos
elementales,
caracterizados cada
uno por un número de
revoluciones distinto:
consta de varias η= C.
al conjunto de todas
las curvas se
denomina curvas en
concha
Esta gráfica revela
todas las posibilidades
de la bomba en
funcionamiento en todas sus formas posibles dentro del campo característico de dicha bomba. La línea
que se encuentra punteada (====) define la zona máxima de eficiencia así como la combinación H, Q y N
para la cual fue proyectada.
4.6. Cálculos para bombas.
4.6.1. Obtención de la potencia de la bomba.
Para el buen funcionamiento de la bomba se requiere del cálculo de la NPSH, que como se mencionó en
el capítulo 2 es utilizado para garantizar que no exista cavitación en la bomba, se utilizara la ecuación 18 y
19.
Es necesario obtener la cabeza total de la bomba o altura manométrica total con la ecuación 4 del capítulo
3. Y utilizar la secuencia que se describe.
Grafico 10 Curva característica de una bomba centrifuga
56
Pc = es las suma de todos los elementos que se encuentran a lo largo de la tubería (codos, válvulas y/o
equipos) que dan lugar a perdidas por ficción en la cabeza total. Se deberá de seguir el punto 2.- Factor de
fricción y 3.- Calculo de la ΔP100 según corresponda el caso del capítulo 6 sección 4. Calculo de diámetro
para diferentes fluidos.
Para incrementar la presión del fluido es necesario un trabajo mecánico que será dado por lo alabes de la
bomba. Y dado que el trabajo hidráulico está dado por el incremento de la presión y considerando que no
existen grandes variaciones en la densidad del fluido, sin embargo la potencia de la bomba, la energía que
suministran las partes mecánicas al fluido se calcula mediante eficiencias de bomba que son función del
flujo a suministrar, las cuales muchas se encuentran tabuladas o graficadas, en este caso se cuenta con
una tabla 6 la cual ha sido graficada y se le ha asignado una correlación la cual está en función del flujo.
Una vez obtenida la cabeza total de la bomba, se procede con el cálculo de la potencia de la bomba
utilizando la ecuación 7 u 8 del capítulo 4
También se puede utilizar la siguiente expresión para Potencias expresadas en C.V.
Tabla 6 Eficiencia de Bombas.
Q (gpm) %η (Q en m3/h)
10 – 70 %η = 18.684 ln Q – 2.5844
80 – 500 %η = 13.921 ln Q + 10.5
1000 – 5000 %η = 4.0304 ln Q + 58.064
Posteriormente se necesita calcular la potencia absorbida de la red, del motor, y del eje con las siguientes
ecuaciones:
(P1) POTENCIA ABSORBIDA DE LA RED:
Motores monofásicos
Motores trifásicos
√
(P2) POTENCIA NOMINAL DEL MOTOR
Motores monofásicos
57
Motores trifásicos
√
(P3) POTENCIA ABSORBIDA POR EL EJE DE BOMBA
4.6.2. Obtención de la potencia de la bomba accionada por turbina.
Para determinar la potencia requerida de una bomba centrifuga accionada por turbina es necesario contar
con los siguientes datos:
Flujo volumétrico “el más crítico para el diseño”.
La cabeza diferencial total.
Densidad del fluido a la succión y a la descarga.
Condiciones del vapor a suministrar y a la salida.
Determinar si el vapor a la salida es saturado o va en contra presión.
Determinar las entalpias a esas condiciones y calculando la diferencia.
Grafico 11 Eficiencia media de las turbinas de varias etapas
58
Mediante las gráficas (11 y 12) de eficiencia de turbina y la potencia de la bomba requerida se estima la
eficiencia de la turbina
Posteriormente se deberá determinar lo siguiente:
Determinar las condiciones y propiedades necesarias (densidad y aumento de presión).
Determinar la eficiencia de la bomba mediante el flujo a manejar con la curva 1.
Calcular la potencia de la bomba.
Con la potencia de la bomba determinar mediante su magnitud la eficiencia del motor a ocupar.
Calcular la potencia requerida.
Analizar con la eficiencia de motor y la potencia requerida cual es la potencia instalada nominal que
absorba la potencia requerida.
Grafico 12 Eficiencia media de las turbinas de una sola etapa
4.6.3. Corrección por viscosidad.
El agua es el líquido que manejan con mayor frecuencia las bombas. Sin embargo, en diversas
aplicaciones las bombas deben manejar otros tipos de líquidos; aceite, propilenglicol o gasolina. Si
comparamos esto líquidos con el agua, tienen distinta densidad y viscosidad.
La viscosidad es una medida de la consistencia del líquido. Cuanto mayor sea la viscosidad, más espeso
será el líquido. El propilenglicol y el aceite de motor son líquidos muy viscosos. La gasolina y el agua son
líquidos poco viscosos.
Hay dos clases de viscosidad:
59
La viscosidad dinámica (μ), que normalmente se mide en Pa⋅s o Poise. (1 Poise = 0.1 Pa⋅s)
La viscosidad cinemática (ν), que normalmente se mide en centiStokes o m2/s (1 cSt = 10-6 m2/s).
La fórmula de la relación entre la viscosidad dinámica (μ) y la viscosidad cinemática (ν).
La viscosidad de un líquido cambia considerablemente con las variaciones de la temperatura: el aceite
caliente es menos viscoso que el aceite frío. Un líquido con el 50% de propilenglicol aumenta su
viscosidad 10 veces cuando la temperatura cambia de +20 a –20 ºC. La viscosidad de líquidos estándar
está en función de la temperatura del líquido.
Basándonos en el conocimiento del punto de servicio requerido, Q, Ht y en la viscosidad cinética del
líquido bombeado, se pueden calcular los factores de corrección de H y P2.
En la gráfica anterior conociendo los
datos de Q y Ht podemos encontrar
los valores para kH y kP2, con ellos
se puede calcular la altura
equivalente para agua y P2S la
potencia real en el eje corregida
utilizando la siguiente fórmula:
(
*
HW : Es la altura equivalente de la
bomba si el líquido bombeado es
agua.
P2W : Es la potencia en el eje en el
punto de servicio (Q,Ht) cuando el
líquido bombeado es agua
HS : Es la altura deseada para el
líquido bombeado (con agentes)
P2S : Es la potencia en el eje en el
punto de servicio (Qs,Hs) cuando el
líquido bombeado es agua (con
5 Manual de bombeo, Grundfos indutrial solutions, Apartado 1.5 Líquidos, pag. 56
Grafico 13 Para determinar en factor de corrección para la altura y el
consumo a distintos valores de caudal, altura y viscosidad 5
60
agentes)
ρs : Es la densidad del líquido bombeado
ρw : Es la densidad del agua = 998 kg/m3
Grafico 14 Curva de la corrección de la bomba para seleccionar la bomba adecuada para el sistema
La selección de la bomba se basa en curvas/hojas de datos normalizadas que se aplican al agua. La
bomba debe cubrir el punto de servicio QH = QS, HW, y el motor debe ser lo suficientemente potente para
procesar P2S en su eje.
El procedimiento de selección de una bomba y un motor comprende los siguientes pasos:
Calcule la altura corregida Hw (basándose en HS y kH)
Seleccione una bomba capaz de proporcionar un rendimiento de acuerdo al punto de servicio
corregido (QS, HW)
Lea la potencia de entrada P2W en el punto de servicio (QS, Hw)
61
Basándose en P2W, kP2, ρW, y ρS calcule la potencia en el eje requerida P2S
Compruebe si P2S < P2 MAX del motor. En caso afirmativo, se podrá usar la camisa del motor. En
caso contrario, seleccione un motor más potente.
Grafico 15 El gráfico muestra la viscosidad de distintos líquidos a distintas temperaturas. La
viscosidad disminuye al aumentar la temperatura.
62
Capitulo. V Accesorios en Tuberías
5.1. Introducción
La conducción o transporte de fluidos por medio de tuberías, sean fluidos líquidos como el agua, petróleo,
gasolina, etc. o gaseosos como el aire, vapor, metano, etc. Requieren del control del fluido, su regulación,
o impedir que este pueda retornar en contra de un determinado sentido de circulación y, muchas veces
también, se requieren poder mantener el fluido a una determinada presión de servicio o liberar el exceso
de presión cuando esta sobrepasa ciertos límites de seguridad.
En principio, la elección es simple, para ello se debe tener en cuenta:
Su capacidad
La clase de fluido
Su temperatura
El rating
Tipo de tubería en la cual se debe instalar
La forma de realizar las conexiones
La manera como se va a operar
Las facilidades para su buena maniobra.
5.2. Tipos de accesorios
Una red de distribución es un conjunto de tuberías principales, secundarias, terciarias, etc. en el que las
piezas especiales: Unidades que posibilitan los empalmes, cambios de dirección (codos), derivaciones,
variaciones de sección, etc. Dispositivos auxiliares: Aparatos que protegen y facilitan el buen
funcionamiento de la red. Los más importantes son las válvulas y las venteos. Las juntas son unidades que
se emplean para unir tubos entre sí y con los accesorios.
Entre las principales agrupaciones de accesorios que se encuentran, tenemos las siguientes:
1. Bridas
2. Accesorios para conexiones
Codo
Tee
63
Reducción
Cuello o acople
3. Empaquetadura
4. Tornillo y niple
5. Válvula
6. Especiales “weldolet sockolet threadolet latrolet elbolet nipolet sweepoletW
5.3. Características técnicas principales
Entre las características se encuentran: tipo, tamaño, aleación, resistencia, espesor y dimensionamiento.
Diámetros: es la medida de un accesorio o diámetro nominal mediante el cual se identifica al mismo
y depende de las especificaciones técnicas exigidas.
Resistencia: es la capacidad de tensión en libras o en kilómetros que puede aportar un
determinado accesorio en plena operatividad.
Aleación: es el material o conjunto de materiales del cual está hecho un accesorio que forma parte
de un sistema de tuberías.
Espesor: que es el grosor que tiene o posee la pared del accesorio de acuerdo a las normas y
especificaciones establecidas.
5.4. Características de los tipos de accesorios.
5.4.1. Bridas
Bridas. Son accesorios para conectar tuberías con equipos (bombas, intercambiadores de calor,
generadores de vapor, tanques, etc.) o accesorios (codos, válvulas, etc.), la unión se hace por medio de
dos bridas en la cual una de ellas pertenece a la tubería y la otra al equipo o accesorio a ser conectado.
La ventaja de las uniones bridadas radica en el hecho de que por estar unidas por espárragos permite el
rápido montaje y desmontaje a objeto de realizar reparaciones o mantenimiento.
5.4.2. Tipos de bridas y características:
a. Brida con cuello para soldar: es utilizada con el fin de minimizar el número de soldaduras en
pequeñas piezas a la vez que contribuye a contrarrestar la corrosión en la junta.
b. Brida deslizante: es la que tiene la propiedad de deslizarse hacia cualquier extremo del tubo antes
de ser soldada y se encuentra en el mercado con cara plana, cara elevada (RF), borde y ranura,
macho y hembra y de orificio requiere soldadura por ambos lados.
c. Brida roscada: son bridas que pueden ser instaladas sin necesidad de soldadura y se utilizan en
líneas con fluidos con temperaturas moderadas, baja presión, y poca corrosión, no es adecuada
para servicios que impliquen fatigas térmicas.
64
d. Brida con tubo rebordeado: es la brida que se encuentra seccionada y su borde puede girar
alrededor del cuello, lo que le permite instalar los orificios para tornillos en cualquier posición sin
necesidad de nivelarlos.
e. Brida ciega: es una pieza completamente sólida sin orificio para fluido, y se une a las tuberías
mediante el uso de tornillos, se puede colocar conjuntamente a otro tipo de brida de igual diámetro,
cara y resistencia.
f. Brida de orificio: son convertidas para cumplir su función como bridas de orificio, del grupo de las
denominadas estándar, especialmente del tipo cuello saldable y deslizantes.
g. Brida de cuello largo para soldar
h. Brida embutible: tiene la propiedad de ser embutida hasta un tope interno que ella posee, con una
tolerancia de separación de 1/8” y solo va soldada por el lado externo.
SE PUEDE OBTENER MAYOR REFERENCIA EN LA NORMA ASME B16.21/B16.1/B16.5 O ASME/ANSI B16.47
CON CLASES DE PRESIÓN O RATING: 125#, 250#, 150#, 300#, 600#, 900#, 1500# Y 2500#.
Ilustración 23 Ejemplo de bridas, al igual que estas, hay muchas más que se presentan para diferentes
TAMAÑOS, TIPOS, CLASES, MATERIALES
5.5. Accesorios para conexión.
5.5.1. Codo
Son accesorios de forma curva que se utilizan para cambiar la dirección del flujo de las líneas como lo
especifiquen en los planos o dibujos de tuberías (ISOMETRICOS), así como los accesorios de uso más
frecuente en conexiones para tuberías.
Los accesorios estándar son los que vienen listos para la pre-fabricación de secciones de tuberías y que
son fundidos en una sola pieza con características específicas.
65
a. Codo estándar de 45, 60, 90 y 180º, con embones para soldar.
b. Codo estándar de 45, 60, 90 y 180º, con uniones roscadas tipo hembra o macho.
c. Codo estándar de 45, 60, 90 y 180º, bridado
d. Codo estándar, de diseño especial.
a) Codo estándar
soldables.
b) Codo estándar con
uniones roscadas.
c) Codo estándar
bridado.
d) Codo con base.
e) Codo con salientes
laterales.
f) Codo de 180º o de
retorno.
Ilustración 24. Ilustración de algunos de los tipos de codos antes mencionados. Al igual que
estas, hay muchas más que se presentan para diferentes TAMAÑOS, TIPOS, CLASES,
MATERIALES.
5.5.2. Tee
Estos accesorios se fabrican en diferentes tipos de materiales, aleaciones, diámetros y cedulas que se
utilizan para efectuar derivaciones en líneas de tuberías
Tipos:
i. Tee recta
ii. Tee reductora
iii. Tee especiales
Características:
i. Diámetro: desde ½” hasta 72”
ii. Espesor: depende del espesor del tubo o accesorio a la cual va instalada.
iii. Aleación: son los materiales con los que se construyen estos accesorios los más utilizados son
el acero al carbón, acero inoxidable, galvanizado, etc.
iv. Juntas: Para instalar las Tes en líneas de tubería se puede hacer, mediante procedimiento de
rosca embutible-soldable o soldable a tope.
a) Tee soldable.
b) Tee con unión
roscada tipo macho.
c) Tee con unión
roscada tipo hembra
66
d) Tee bridada
e) Tee bridada con
base.
f) Tee con salida lateral.
g) Tee con embones
para soldar.
Ilustración 25. Ilustración de algunos de los tipos de TES antes
mencionados. Al igual que estas, hay muchas más que se
presentan para diferentes TAMAÑOS, TIPOS, CLASES,
MATERIALES.
5.5.3. Reducción.
Son accesorios de forma conica, fabricadas de diversos materiales y aleaciones. Se utilizan para disminuir
el volumen del fluido a través de las líneas de tuberías y realizar conexiones de diferentes diámetros de
tuberías.
Tipos
i. Concentrica
ii. Excentrica
1. Reducción
concéntrica.
2. Reducción
excéntrica
Ilustración 26 Reducciones
5.5.4. Empaquetadura.
Es un accesorio utilizado para realizar sellados en juntas mecanizadas existentes en líneas de servicio o
plantas de proceso. Actualmente existen los siguientes materiales:
a. Empaquetadura flexitalic: es del tipo empaquetadura es de metal y de asientos espiro-metálicos,
seleccionados de acuerdo al tipo de fluido que se maneja.
b. Anillos de acero: utilizadas con bridas que tienen ranuras para el empalme con el anillo de acero,
usado en líneas de aceite de alta temperatura o en líneas de amoniaco.
c. Empaquetadura de cartón: utilizadas en cajas de condensadores donde temperaturas y presiones
son bajas.
d. Empaquetadura de goma: usadas en bridas machos y hembras que estén en servicio con
amoniaco o enfriamiento de cera.
e. Empaquetadura completa: utilizadas en uniones con bridas ciegas.
f. Empaquetadura de metal: fabricadas de acero al carbón e inoxidable ASTM A-307, A-193, A-304,
A-316.
67
g. Empaquetadura grafitadas: de gran resistencia al calor, tipo anillo y espiro-metálicas de acero con
asiento grafitado, utilizadas en fluidos de vapor.
5.5.6. Válvula.
Son accesorios con los cuales se puede dar inicio, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o
gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o
conductos.
5.5.6.1 Función y usos más comunes.
Para servicio de bloqueo o cierre son:
Válvulas de compuerta: Resistencia mínima al fluido de la tubería. Se utiliza totalmente abierta o
cerrada. De accionamiento poco frecuente.
Válvulas de macho: Cierre hermético. Deben estar abiertas o cerradas del todo.
Válvulas de bola: No hay obstrucción al flujo. Se utiliza para líquidos viscosos y pastas aguadas.
Se utiliza totalmente abierta o cerrada.
Válvulas de mariposa: Su uso principal es cierre y estrangulación de grandes volúmenes de
gases y líquidos abaja presión. Su diseño de disco abierto rectilíneo, evita cualquier acumulación
de sólidos; la caída de presión es muy pequeña.
Para servicio de estrangulación:
Válvulas de globo: Son para uso poco frecuente. Cierre positivo. El asiento suele estar paralelo
con el sentido del flujo; produce resistencia y caída de presión considerables.
Válvulas de aguja: Son básicamente válvulas de globo que tiene un macho cónico similar a una
aguja, que ajusta con precisión en su asiento. Se puede tener estrangulación exacta de volúmenes
pequeños porque el orificio formado entre el macho cónico y al asiento cónico se puede variar a
intervalos pequeños y precisos.
Válvulas en Y: Son válvulas de globo que permiten el paso rectilíneo y sin obstrucción igual que
las válvulas de compuerta.
Válvulas de ángulo: Son similares a las de globo, su diferencia principal es que el flujo del fluido
hace un giro de 90°
Válvulas de mariposa: Trabajan a presiones de 150 psi hasta el vacío.
Las válvulas que no permiten el flujo inverso (de retención) actúan en forma automática ante
los cambios de presión para evitar que se invierta el flujo, como la válvula check por ejemplo.
En amplia gama de procesos el ingeniero se encuentra con el problema de seleccionar un dispositivo de
desahogo para una situación específica; hay entonces disponibles diversos tipos de ellos. Aunque ninguno
es adecuado para todos los servicios. Cada uno es idóneo para una aplicación particular. Los dispositivos
se dividen en dos grupos generales: 1) válvulas y 2) discos de ruptura. Aquí solo se verán las válvulas.
Además, las válvulas se subdividen en:
68
o Válvulas se seguridad.
o Válvulas de alivio.
Una válvula de seguridad es un dispositivo automático para desahogo de presión accionado por la
presión estática corriente arriba de la válvula y que se caracteriza por su acción de disparo para plena
apertura. Generalmente se utiliza en servicios con gas o vapores.
En la industria, el término válvula de seguridad se aplica en general a las utilizadas en servicio para vapor
de calderas y/o desfogues.
El término válvula de desahogo se aplica en cualquier tipo de dispositivo para este fin. En términos
estrictos, se debe aplicar a una válvula diseñada para servicios con líquidos; casi todas estas válvulas son
pequeñas.
Las válvulas de alivio se utilizan en la descarga de las bombas para la dilatación térmica del líquido en
tuberías que se pueden obstruir o que están expuestas a la radiación solar u otras fuentes de calor. Estas
válvulas no suelen ser adecuadas para servicio con polímeros porque éstos tienden a sedimentarse y a
obstruir o pegar la válvula.
Los materiales para los resortes de las válvulas suelen ser de acero al carbono para servicio a menos de
450°F. Para una temperatura mayor, se necesitan resortes con aleación de tungsteno y también hay
resortes de acero inoxidable. Están disponibles diversos tipos de revestimientos a la corrosión.
También existen las Válvulas de alivio de seguridad que al igual que las anteriores son un dispositivo
automático, accionado por presión, también se puede utilizar para vapor o calderas, pero la aplicación más
importante es en los recipientes de presión sin fuego. Además se usan en la descarga de bombas y
compresores. No debe emplearse en servicio con polímeros, si se usa en servicio que produzca
carbonatación, se debe utilizar una purga de vapor a la entrada.
APLICACIONES ESPECIALES
Las bombas alternativas producen impulsos de presión que tienden a elevar el disco de una válvula de
desahogo y ocasionar fugas. Por ello, las válvulas en este servicio se deben graduar, cuando menos a
25% más que la presión de funcionamiento. Las válvulas de desahogo de seguridad en compresores se
deben graduar mínimo a 15% más que la presión de funcionamiento.
Hay disponible una selección especial de tipos de válvulas para manejar pastas aguadas gruesas o finas.
Los tipos más comunes son en ángulo, fondo plano, macho, bola y diafragma y válvulas de opresión o
compresión. Están diseñadas para resistencia al flujo y con frecuencia, están revestidas con aleaciones
especiales para darles resistencia a la corrosión o a la erosión.
69
Una de las aplicaciones más corrientes en la ingeniería civil, es el caso de las válvulas usadas en
centrales hidroeléctricas.
La selección de la válvula depende además de:
1. Influencia de las impurezas en el agua
Cuando el agua o fluido vaya cargado con arena, limo o carbonatos, las válvulas con flujo concéntrico y
pasos muy chicos (giros) tienen el inconveniente de que se pueden obturar y quedar fuera de servicio.
Para este tipo de servicio probablemente la válvula tipo mariposa sea la más conveniente
2. Consideraciones sobre difusión
Cuando la dispersión proveniente de válvulas de descarga libre tiene alguna objeción, como en el caso de
instalaciones eléctricas cercanas, las válvulas de aguja pueden ser una solución adecuada, debido a la
descarga concentrada.
La tipo mariposa para aberturas parciales y las de chorro divergente efectúan una considerable dispersión
del chorro, Debido a estas condiciones, algunas válvulas requieren tanques disipadores.
3. Mantenimiento
En la selección del tipo de válvula se deben hacer consideraciones de mantenimiento, como lo es la
facilidad y frecuencia de las reparaciones, lo que tendrá importancia en los costos de operación y
confiabilidad del servicio. La cavitación es una amenaza siempre presente en válvulas de gran carga y ha
sido una de las principales causas de la discontinuidad ocasionadas por las primeras válvulas de aguja,
sometidas a requerimientos estrictos de mantenimiento.
4. Selección final
Si dos o más válvulas son de igual manera adecuadas funcionalmente para un determinado proyecto, la
selección de la válvula dependerá de su costo inicial y costo de mantenimiento.
5. Válvulas de emergencia
En tuberías a presión no es suficiente la instalación de sólo una válvula de servicio. Es necesario
considerar también la colocación de una válvula para emergencia o cierre por mantenimiento, localizada y
controlada de manera que el cierre rápido por emergencia, en condiciones desbalanceadas, esté
asegurado en cualquier circunstancia y no se produzca así golpe de ariete.
6. Consideraciones sobre dimensiones
Las válvulas tipo mariposa pueden ser del mismo diámetro que la tubería o un poco mayor, y las de tipo
esférico es usual que el diámetro sea el mismo que el de la tubería.
5.5.6.2. Tipos
a) Válvula de compuerta.
El servicio para el cual son más utilizadas las válvulas de compuerta es cuando se debe abrir o cerrar por
completo el paso de un fluido, dichas válvulas son las más convenientes, ya que por su construcción
interior, cuando están cerradas producen un cierre hermético, y cuando se abren completamente permiten
el máximo paso al fluido, con la misma perdida de carga a través de la válvula, ya que en posición abierta,
70
la válvula no solo facilita el paso en línea recta sino que además mantiene la misma área de la tubería a la
cual está unida. Desde ¼” hasta 36” o más.
Ilustración 27 Partes de una válvula de compuerta
EL comportamiento de los asiento en las válvulas de compuerta. No son muy adecuadas para operación
continua. Las válvulas de compuerta son las más utilizadas en las instalaciones de agua potable
generalmente utilizadas para cortar o establecer totalmente el flujo. Ofreciendo la mínima resistencia a su
paso.
Ilustración 28 Partes de la válvula tipo compuerta de 4” y mayores con conexiones de campana.
71
Ilustración 29 Partes de una válvula tipo compuerta de 4” y mayores con conexiones de brida.
b) Válvula de ángulo.
Ilustración 30 Partes principales de una válvula de tipo ángulo.
72
Utilizadas para regular o limitar el paso de un fluido las válvulas más adecuadas son las de globo y
de ángulo. Dichas válvulas tienen sus asientos construidos de tal modo que producen un cambio en la
dirección del flujo que las atraviesa, incrementando su resistencia al paso en forma gradual, según la
posición de cierre.
Estas válvulas se usas poco para los diámetros mayores de 12” debido a los grandes esfuerzos
que requieren para ser operadas bajo altas presiones.
c) Válvula de mariposa.
Estas válvulas al ser instaladas, al ser instaladas, requieren de la provisión del espacio suficiente
para permitir el desplazamiento del vástago. La operación del vástago de la válvula son los siguientes:
Vástago desplazable con rosca interior.
Vástago fijo con rosca interior.
Vástago deslizable.
Sellado del vástago:
Tipo interna: es la más hermética, se utiliza solo en válvulas para alta presión y/o temperatura.
Prensa estopa ajustada a pernos: para válvulas pequeñas y medianas con altas presiones o
temperaturas.
Prensa estopa ajustado a tuercas: más generalizado para válvulas de tamaño pequeño.
Tuerca sola sin prensa estopa: para válvulas pequeñas y trabajo de baja presión
Ilustración 31 Partes de una válvula de tipo mariposa
d) Válvulas de diafragma.
Estas válvulas no requieren de empaque. Se vástago no entra en contacto con el fluido que
controlan, por lo tanto no lo contaminan ni es éste contaminado. Siempre se puede cerrar si el diafragma
se llega a deteriorar.
73
Ilustración 32 Válvula de diafragma.
e) Válvula de retención.
Para evitar el retorno del fluido se utilizan las válvulas de retención. Estas válvulas se construyen
en dos tipos distintos, conocidos como: retención a bisagra y retención horizontal. Ambos tipos están
diseñados para producir la misma simple función de permitir el paso del flujo sólo en una dirección, de
modo que el sentido del flujo las abre, mientras que la fuerza de gravedad y e contrasentido del mismo
flujo las cierra automáticamente.
Como regla general las válvulas de retención del tipo a bisagra se usan con las válvulas de
compuerta y las de tipo horizontal con las válvulas de globo.
Ilustración 33 Partes de una Válvula tipo retención a
bisagra.
Ilustración 34 Partes de una válvula de retención tipo
horizontal.
74
f) Válvula de asientos o globo.
Para regular el flujo con mayor precisión en
diámetros menores de 1”, se usa otra versión de la
válvula globo, por tener su vástago cónico muy
alargado, se conoce con el nombre de válvula de aguja.
Estas últimas muy utilizadas en puertos de muestreo.
Son ideales para controlar el volumen del flujo, las
válvulas de compuerta no son diseñadas para regular
el flujo.
Ilustración 35 Partes de una válvula de globo.
Ilustración 36 Partes de una válvula tipo aguja
g) Válvulas de reguladora presión.
Las válvulas reguladoras de presión se utilizan cuando es necesario reducir la alta presión variable
existente en el suministro de entrada, a una presión más baja y constante requerida por el servicio. Estas
válvulas no sólo reducirán la presión sino que la mantienen a los valores prefijados en forma independiente
de la cantidad de fluido que para a través de ellas, todo dentro de límites razonables previamente
establecidos.
Las válvulas reguladoras de presión de gasto funcionan de manera muy similar a las válvulas
reguladores de presión, sólo que en vez de reducir y mantener la presión de salida, reducen y mantienen
el gasto de salida.
h) Válvulas de alivio de presión de seguridad.
Las válvulas de alivio de presión de seguridad son utilizadas en tanques de presión, calderos y
aparatos diversos, donde es necesario evitar que un exceso eventual o fortuito de presión pueda causar
daño.
75
Estas válvulas, reguladas para una
determinada presión de apretura, permanecen
cerradas en funcionamiento normal y sólo se abren
si el fluido sobrepasa la presión preestablecida,
liberando el exceso perjudicial de presión.
El paso en las mencionadas válvulas es
manteniendo cerrado mediante un resorte o un
contrapeso, cuya fuerza es vencida por la presión
en exceso.
A estas válvulas generalmente se las llama
de alivio de presión, cuando se las usa para
líquidos, y de seguridad, cuando se las usa para
vapor, aire u otros gases.
Ilustración 37 Partes de una válvula de seguridad.
Algunos de los sistemas más utilizados para la conexión de válvulas son:
Tipo campana.
Tipo espiga.
A bridas (mecánica).
Universales.
A bridas (O.S. y Y.).
Roscadas.
Los pasos a seguir para ejecutar una buena unión embridada,
las uniones embridadas se realizan uniendo dos bridas con
pernos, de modo que se ajusten en forma pareja entre sus
caras maquinadas, y una empaquetadura plana.
La ejecución de una buena unión embridada es fácil, si se
siguen los pasos mencionados:
1. Limpiar cuidadosamente todas las superficies de
trabajo, usando un solvente para remover grasa de protección
contra herrumbre que suelen tener cuando están nuevas.
2. Limpiar las empaquetaduras.
3. Alinear perfectamente los soportes de la tubería.
Cuidar que estos no cedan con el peso de la misma y puedan
ocasionar esfuerzos en las válvulas o accesorios.
Ilustración 38 Ajuste de pernos para
conexiones bridadas.
76
La empaquetadura tiene que ser lubricada previamente por sus dos caras con una pasta lubricante
o mezclado de grafito y aceite, esto facilitara su desmontaje futuro.
Con las bridas enfrentadas en su lugar, parar algunos de los pernos de abajo para que sirvan de
sostén a la empaquetadura.
4. Los pernos tiene que ser lubricadas sus roscas de modo que las tuercas puedan ajustar a mano
tanto como se pueda.
5. Se ajustan los pernos en orden directamente opuesto.
5.5.7. Accesorios especiales.
En 1943, cuando Bonney Forge fue pionero en la "Forma de refuerzo" para conexiones de ramales,
mismas que se convertirían rápidamente en un estándar reconocido de la industria. Hoy en día, Bonney
Forge ofrecen conexiones de ramales de refuerzo completa para tubería, evitando grietas, soldaduras de
filete, evitando así cambios bruscos de espesor en el que el accesorio se une al tubo colector.
Todas las piezas forjadas se inspeccionan, sometiéndose a tres sistemas de control de calidad: uno para
el control del material, otro para la fabricación y otro para el control del diseño.
Las piezas forjadas también se someten a controles frecuentes para asegurar el máximo cumplimiento con
las especificaciones ASME y ASTM. Además, el registro completo de todos los accesorios de la barra de
forjado inicial a través de forja, tratamiento térmico, mecanizado, almacenamiento y envío significa que
cada accesorio es rastreable al material y proceso utilizados en su fabricación.
Los accesorios WELDOLET® de entrada de canal o conexiones FLEXOLET ™. Aumentan la flexibilidad
de almacenamiento y ahorran mientras cumplen con el requisito de 100% de refuerzo de los códigos de
tuberías aplicables, es decir, ASME B31.1, B31.3, B31.4 y B31.8. También cumplen con la edición de 2001
de MSS-SP-97 Standard - "Reforzados Forjados Intensamente Manifestantes".
Se pueden utilizar donde se requieran los accesorios de soldadura:
Los accesorios Weldolet cuestan entre un 50% y un 90% menos que los tees de soldadura. El Weldolet fabrica de 50% a 90% menos que los tees de soldadura. El Weldolet permite una fabricación más flexible. El Weldolet mantiene la resistencia de tubería completa de acuerdo con ASME B16.9 y otros
códigos ASME para tuberías de presión. El Weldolet proporciona un flujo de fluido completo.
Ilustración 39 Weldolet de reducción Ilustración 40 Wedlet Diámetro a Diámetro
77
Ilustración 41 Threadolet Reducción, Diámetro a Diámetro y Plano
Ilustración 42 Sockolet Reducción de Tamaño en Tamaño y Plano
Ilustración 43 Flexolet
Ilustración 44 Latrolet
78
Ilustración 45. Elbolet
Cada uno de estos elementos cuenta con medidas estándar por diámetros y/o por clases, por ejemplo: los
weldolets están considerados como es muestra en la tabla siguiente:
En el caso de thredolets se encuentran por clases y diámetros como se muestra a continuación.
79
Capitulo. VI Diseño de Tuberías
6.1. Criterios de Diseño en una tubería.
En el diseño de una Línea o tubería, debemos de saber de dónde iniciamos y hacia dónde vamos, ya que
todas las tuberías tiene un origen y un destino, que está determinado por las necesidades, criterios y
limitaciones del proyecto en donde se esté trabajando (DTI´s).
Las tuberías se deberán presentar como mínimo en forma de PLANTA Y ALZADO, de preferencia en
ISOMETRICO, siempre acotada y a ser posible a escala y con al menos una aproximación visual a la
realidad (debiendo de contener instrumentos en línea, soportes, detalles típicos de instalación, lista de
materiales para cada línea). Todo esto refleja el recorrido de la línea o tubería y se indicara sobre ella el
servicio y diámetro del mismo (N° de TAG). En una tabla aparte se indicaran siempre en correspondencia
a cada servicio y diámetro, las condiciones de diseño así como el material de la tubería en cuestión
(especificaciones de materiales), entre datos de interés.
Uno de los principales elementos o características que se deben de considerar en el trazado de líneas o
tuberías es el “peso”. Esto determinara el camino a través del cual serán dirigidos los fluidos bien que
serán de servicios, proceso, auxiliares: agua fría, caliente, sobrecalentada, aceite térmico, combustibles o
de proceso o bien gaseosos; aire caliente, gases de combustión, exaustación, vapor saturado,
recalentado, vivo o cualquiera otro. Sea cual sea el fluido este debe de seguir un trazado determinado que
condicionara su peso final y que debe ser suficientemente soportado desde el origen.
El cálculo estático se debe considerar como cualquier otro diseño a la condición más desfavorable posible:
EL PESO DE LA TUBERÍA LLENA DE FLUIDO, considerando como mínimo el de prueba si su densidad
es mayor que el especificado, incluyendo todos los accesorios y por supuesto el peso del aislamiento (si la
línea cuenta con el) además de otras cualesquiera, tales como suciedad o las cargas de sismo y viento. Es
necesario saber que las cargas por viento son un factor, que están en toda la instalación hecha en un
ambiente exterior, y que no se puede menospreciar.
80
6.2. Procedimiento de diseño de tuberías
De acuerdo con las bases de diseño se establecen las condiciones de diseño incluyendo presión,
temperatura, corrosión, flexibilidad entre otras, tales como velocidad del viento, movimientos
sísmicos, choques de fluido, gradientes térmicos, etc.
Determinación del diámetro de la tubería, el cual depende de fundamentalmente de las condiciones
del proceso, es decir; caudal, velocidad del fluido, presión del fluido, gravedad específica,
viscosidad, entre otros.
Selección de los materiales de la tubería en base a las características del fluido, como; corrosión,
fragilización, resistencia.
Selección del tipo de conexión, y accesorios de la línea.
Calculo del espesor mínimo de pared (Schedule) para las temperaturas y presiones de diseño, de
manera que la tubería sea capaz de soportar los esfuerzos a los que será sometida, cuando se
esté utilizando.
Modelado de las tubería o línea y establecimiento de la selección aceptable de soportes para el
sistema de tuberías
Análisis de los esfuerzos por flexibilidad para verificar que los esfuerzos producidos en la tubería
por los distintos tipos de carga estén dentro de los valores admisibles, a objeto de comprobar que
las cargas en los equipos y elementos no sobrepasen los valores limites, satisfaciendo los códigos
o disposiciones que se estén empleando.
Si un sistema no tiene la suficiente flexibilidad, o si no es capaz de resistir las cargas sostenidas (efectos
de gravedad) o las cargas ocasionales (sismo y viento), se podrían realizar algunas de las siguientes
modificaciones:
Reubicación de soportes.
Modificación del tipo de soportes en puntos específicos.
Utilizar soportes flexibles.
Modificación parcial del recorrido de la línea en zonas específicas.
Uso de lazos de expansión.
Presentado en frio.
6.3. Cálculos para diseño en tuberías.
6.3.1. Calculo de diámetro para diferentes fluidos.
En general una tubería se dimensión en base a la caída de presión y la velocidad. La caída de presión en
10 pies de tubería (P = 100 ´), es el criterio fundamental pero, se debe tomar en cuenta que la velocidad
quede también dentro de ciertos límites.
Por razones de desgaste prematuro de la tubería, para fluidos corrosivos o erosivos, el criterio principal
será el de la velocidad. En estos cálculos se expone una relación de la caída de presión y la velocidad
recomendados para las situaciones más comunes que se presentan en la industria.
81
En tuberías que manejan gases o vapores se deberá tener precaución en no rebasar la velocidad sónica,
dada por:
(
*
A la relación entre la velocidad del fluido y la velocidad sónica (V/Vs) se la llama número de Mach y debe
ser siempre menor de 1.0.
Los parámetros necesarios en el dimensionamiento de una tubería son los siguientes:
1.- Numero de Reynolds; es un parámetro dimensional dado por:
El número de Reynolds es un indicativo del tipo de flujo presente en la tubería, el cual puede ser:
a) Laminar o viscoso, para RE ≤ 2000
b) De transición, para 2000 < RE ≤ 4000
c) Turbulento, para RE > 4000
2.- Factor de fricción.
Para el flujo laminar el factor de fricción es función únicamente del número de Reinolds y se puede calcular
con la relación:
Para el flujo turbulento, además del número de Reynolds, el factor de fricción es función de la rugosidad de
la tubería (Ɛ/d) y está dado por la ecuación de Colebrook-White. Que se verá más a detalle en la sección
10.4.4. Perdidas en tuberías.
√ (
⁄
√ +
Como es una ecuación implícita en f, para resolverla es necesario emplear un método iterativo. Sin
embargo, diversos investigadores han desarrollado un gran número de ecuaciones explicitas que se
aproximan a la solución de la ecuación anterior. Entre ellas, debido a la mejor exactitud y sencillez, se ha
elegido utilizar la ecuación propuesta por M. Shacham:
( [ ⁄
(
⁄
+]+
82
El factor de fricción así determinado es el de Darcy, que es igual a 4 veces el de Fanning. Para efectuar
los cálculos de dimensionamiento es necesario contar con ciertos datos del fluido y de la tubería (Flujo,
Temperatura, Viscosidad, Densidad), por mencionar algunas.
1.- Dimensionamiento con velocidad recomendada.
Cuando el dimensionamiento se basa en un criterio de velocidad, se calcula el diámetro con la ecuación.
(
*
2.- Dimensionamiento con P100 recomendada.
Para la aplicación de los criterios de P100, en este caso es necesario suponer un diámetro de tubería.
Para evitar hacer suposiciones al azar, se efectúa mediante el cálculo preliminar del diámetro mediante.
(
)
Válida para 2100 < RE < 1x106
Redondeando el diámetro interno comercial más próximo, siendo este el diámetro supuesto (ds).
Utilizando este diámetro se realizan los siguientes cálculos.
Velocidad.
RE con. Ecuación 3 de este apartado.
Factor de fricción con ecuación 5 de este apartado.
(
)
Si dc ds, aproximar dc al interno más cercano. Este será el diámetro correcto.
Si dc ≠ ds, iniciar el cálculo con otro Ds.
3.- Cuando se desee calcular la P100 dadas las condiciones del flujo y el diámetro del tubo se procederá
como sigue:
Velocidad con ecuación 9.
Numero de Reynolds con ecuación 3.
Factor de fricción
Para RE ≤ 2000 con ecuación 4
Para RE > 2000 con ecuación 6.
83
Caída de presión en ft.
Dónde: d = Diámetro interno de la tubería, pulg. dc = Diámetro calculado de la tubería, pulg. ds = Diámetro supuesto de la tubería, pulg. f = Factor de fricción de Darcy, adimensional K = Relación de calores específicos del gas, Cp/Cv, adimensional M = Peso molecular del gas, lb/lbmol. NM = Número de Mach, adimensional. RE= Número de Reynolds, adimensional. T = Temperatura absoluta, °R. V = Velocidad del fluido, FPS. Vs = Velocidad sónica, FPS W = Flujo lb/h = Caída de presión en 100 pies de tubo, psi. Ɛ = Rugosidad absoluta de un tubo, pulg. Ɛ/d = Rugosidad relativa de un tubo, adimensional. μ = Viscosidad absoluta del fluido, cp. ρ = Densidad del fluido, lb/ft3
Descripción de los criterios para P100 y velocidad, en la selección de diámetros de tuberías.
I. Líquidos.
a. Succión de bomba.
i. Liquido saturado.
P100 < 0.3 psi
P T < 2 ft.
ii. Liquido en equipos con presión negativa.
V < 2.5 FSP.
iii. Líquidos sub-enfriados.
P100 < 1.0 psi.
iv. Líquidos viscosos μ > 10 cp.
Ø ≥ 3” V < 2 FPS.
Ø < 2 ½” P100 < 1.0 psi.
v. Líquidos a bombas reciprocanes.
1 bomba operando
1 FPS < V < 3 FPs
2 bombas operando
1 FPS < V < 2.5 FPS
Cuando en la línea no se tenga instalado un amortiguador de pulsaciones, las perdidas por fricción se
determinan de la manera convencional para flujo constante pero considerando el flujo de diseño continuo
o promedio de la bomba por el siguiente factor dependiendo del tipo de bomba. (Ver sistema 2).
84
(Los amortiguadores se emplean en la descarga de
las bombas de membrana para minimizar las
pulsaciones del fluido; con fluidos de viscosidad
aparentemente elevados incluso en presencia de
partes sólidas en suspensión de cierta dimensión.
La elevada capacidad de minimizar las pulsaciones,
las vibraciones y los golpes de ariete hace que este
componente sea un aparato para la salvaguardia
dando regularidad al flujo de salida).
En caso de tener instalado el amortiguador de pulsaciones en la línea, ésta se determinara con Q = 1.2 Q
bomba. En caso de que la pérdida por aceleración (en el cálculo del NPSH disponible de la bomba) resulte
excesivo considerar la instalación de un amortiguador de pulsaciones, corriente debajo de la válvula de
bloqueo a la succión de la bomba, con lo que estas pérdidas se pueden considerar despreciables.
b. Descarga de bomba.
i. Agua e Hidrocarburos.
P100 < 2.0 psi
i. Líquidos viscosos μ > 10 cp.
Ø optimo
qf en ft3/s
ii. Bombas reciprocantes.
3 fPS < V < 10FPS “Ver I. a. v.”
iii.
c. Flujo por gravedad.
V < 3 FPS
d. Líneas con presión disponible.
P100 < 2.0 psi
e. Agua de enfriamiento.
i. Cabezal principal.
P100 < 1.0 psi y V< 10 FPS
ii. Ramales
P100 < 0.7 psi y V< 10 FPS
f. Líquidos corrosivos o erosivos.
i. Aminas.
V < 3.0 FPS
ii. Amoniaco.
V < 6.0 FPS
iii. Benceno.
Tabla 7 Factor de modificación de gasto de díselo.
Bomba Acción simple Acción doble
Simple 3 2.0
Dúplex 2 1.5
Triplex 2 1.3
Cuádruplex 1.5 1.3
Otras 1.5 1.3
85
V < 6.0 FPS
iv. Bromo.
V < 4.0 FPS
v. Cloruro de calcio.
V < 4.0 FPS
vi. Tetracloruro de carbono.
V < 4.0 FPS
vii. Cloro seco.
V < 5.0 FPS
viii. Cloroformo.
V < 6.0 FPS
ix. Dicloruro de Etileno.
V < 6.0 FPS
x. Etilen Glicol.
V < 5.0 FPS
xi. Cloruro de Metil.
V < 6.0 FPS
xii. Aceite lubricante.
V < 6.0 FPS
xiii. Percloro Etileno.
V < 6.0 FPS
xiv. Propilen glicol.
V < 5.0 FPS
xv. Solución de cloruro de sodio.
V < 5.0 FPS
xvi. Dicloruro de Etileno.
V < 6.0 FPS
xvii. Hidróxido de sodio.
0 – 30 % V < 6.0 FPS
30 – 50 % V < 5.0 FPS
50 – 73 % V < 4.0 FPS
xviii. Estireno.
V < 6.0 FPS
xix. Ácido Sulfúrico.
82 – 92 % V < 4.0 FPS
93 – 100 % V < 4.0 FPS
xx. Tricloruro de etileno.
V < 6.0 FPS
xxi. Cloruro de Vinilo.
86
V < 6.0 FPS
xxii. Agua vinílica.
V < 3.0 FPS
xxiii. Agua salada.
V < 6.0 FPS
xxiv. Agua rica en CO2.
V < 10.0 FPS
II. Gases y vapores.
a. Succión de compresores y entrada a turbina de gas.
Presión del sistema. P100
10 psi y menores 0.25
10 psi a 75 psi. 0.50
Más de 75 psi 1.0
b. Descarga de compresores.
P100 < 1.0 psi.
Para circuitos cerrados se deberá tener cuidado de que la caída de presión disponible del sistema sea
menor a la del compresor.
c. Vapor de domos de un fraccionador.
P ≤ 10 psia P100 < 0.1 psi.
P > 10 psia P100 < 0.5 psi.
Estos valores son en los casos en que se tenga presión disponible. Cuando sea posible se deberá tratar
de cumplir con los siguientes criterios de velocidad.
P ≤ 10 psia V < 200 FPS
P > 10 psia V < 70 FPS
d. Vapor de agua.
P 0 – 50 psig saturado P100 ≤ 1.0 psi.
P > 50 psig saturado P100 < 2.0 psi.
P > 100 psig sobrecalentado P100 < 3.0 psi.
La velocidad en cualquier caso deberá ser menor a 250 FPS.
e. Sistemas de vacío (Torre – Eyector).
V < 200 FPS
f. Los cabezales de aire de planta y aire de instrumentos serán de 3” por planta.
g. Líneas de presionamiento y depresionamiento de equipos.
87
h. Líneas de arranque.
El criterio de dimensionamiento será de acuerdo al sistema de origen y/o destino, con un flujo del 60% del
normal.
i. Líneas en dos fases L/G.
P100 ≤ 0.5 psi Evitando patrones inestables de flujo.
j. Línea en dos fases L/S.
V asentamiento < V < V erosión.
k. Líneas de entrada a PSV´s
PT < 3.0 % Presión de Ajuste.
l. Líneas de condensado.
V < 25 FPS a densidad promedio de L/V.
El número de catálogo o cedula indica el espesor de pared y viene dado por:
P = presión interno de trabajo (lbf/in2). S = Fatiga (lbf/in2).
Se emplean 10 números de cedula: 10, 20, 30, 40, 60, 80, 120, 140 y 160. Para otras aleaciones el
espesor de pared puede ser mayor o menor que el de una tubería de acero, dependiendo de la resistencia
que posee la aleación.
6.3.2. Determinación de la presión de prueba hidrostática.
6.3.2.1. 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.
Presión de prueba en fábrica o presión de fábrica (PF): es aquella presión sobre la que se timbran
y clasifican los tubos comerciales, que habrán de superar en fábrica sin romperse ni acusar falta de
estanqueidad.
Presión nominal (PN): Aquélla por la que se conoce comercialmente y que sirve para tipificar,
clasificar y timbrar los tubos. Es un número convencional que coincide con la presión de trabajo a
20º C en tuberías de plástico (PVC y PE).
Presión de rotura (PR): Aquélla a la cual se rompe la tubería.
88
Presión de trabajo (PT): Máxima presión a la que se recomienda que trabaje el tubo, ya que es la
máxima presión interna a la que puede estar sometido un tubo en servicio a la temperatura de
utilización. Constituida por la presión de servicio más la sobre presión accidentales que pudieran
producirse, como por ejemplo las debidas al golpe de ariete.
Presión de servicio (PS): Presión a la que efectivamente se hace trabajar la tubería. Siempre debe
ser menor o igual que la presión de trabajo.
La ecuación de diseño para presión interior está definida por:
Dónde: tr = espesor nominal de la pared del tubo en milímetros P = presión interna en bares D = diámetro exterior de tubo en milímetros Rm = resistencia última mínima a la tracción del material en mega pascales (420 MPa) SF = factor de seguridad de diseño (3.0 para la presión de operación permisible y 2.5 para la presión máxima de funcionamiento admisible – incluyendo golpe ariete)
Presión interna.
Para T <= D/6 ó P/SE <= 0.385:
(( ))
También se puede usar la ecuación básica de la tensión circunferencial de membrana.
Para valores de t >= D/6 ó P/SE >= 0,385
En el caso de paredes gruesas de determina con la siguiente ecuación:
( √
)
Presión externa.
ANSI establece que para determinar el espesor de un caño por presión externa se utilizará el código
ASME VIII DIV. 1, parágrafos UG.28, UG.29 y UG.30 con la siguiente excepción:
Para caños con relación Do/t < 10 el valor de S para ser usado en la determinación del espesor será el
menor de los siguientes, para el material del caño a la temperatura de diseño:
a) 1,5 veces la tensión de la tabla A-1 de ANSI B-31.3 ó
b) 0,9 veces la tensión de fluencia de ASME VIII DIVISION 2.
89
6.3.2.2. Golpe de ariete.
Tiempo de paro: El valor del tiempo de paro influye en el golpe de ariete de modo que a menor tiempo,
mayor golpe. El valor del tiempo de parada viene expresado por una siguiente fórmula empírica, que
calcula el tiempo en segundos:
Dónde: T = Tiempo de parada en segundos. C = Coeficiente según la pendiente de la tubería. K = Valor que depende de la longitud de la tubería. L = Longitud real de la tubería en mts.
V = Velocidad del agua en la tubería en m/s g = Constante de la gravedad (9,8 m/seg2) Hm = Altura manométrica en metros. (En realidad es el tiempo que tarda en
anularse la onda de presión y sobre
presión). Se considerará la longitud L
desde la toma de agua hasta el
depósito o hasta el primer punto de
salida o convergencia.
Velocidad de propagación de la onda
se calculará por la siguiente fórmula:
√
Dónde: a = Velocidad de propagación de la onda en m/s G = Factor sin dimensión (depende del material de la tubería) D = Diámetro interior en mm e = espesor del caño en mm. G = 106/E; siendo E el coeficiente de elasticidad del material en Kg/cm2. Para los materiales más usuales, se muestran algunos valores para G: Longitud Crítica y sobre presión
Se llama longitud crítica a la Velocidad de propagación de la onda “a” y el tiempo de parada “T”. Como
resultado de la ecuación siguiente:
Grafico 16 Valores de C y K.
90
Este valor lo comparamos con la longitud real de la conducción “L” y
según sea, igual, mayor o menor, se aplicarán las fórmulas siguientes:
Dónde: a = Velocidad de propagación de la onda en m/s V = Velocidad del fluido en m/s L = Longitud real en m g = aceleración de la gravedad T = de parada en seg. El valor de “H” es el incremento de presión debido al golpe de ariete. Este valor se sumará o restará a la presión estática, para calcular las presiones máximas y mínimas.
En este primer caso se podrá solucionar con cualquiera de las fórmulas: Allievi o Micheaud.
Lc=L
Cuando la longitud crítica es mayor que la longitud real, se denomina conducción corta y se
resolverá con la fórmula de Micheaud.
Lc >L
Cuando la longitud crítica es menor que la longitud real, se denomina conducción larga y es
solucionable por la fórmula de Allievi.
Lc < L
Conocido el incremento de presión por golpe de ariete, sumado o restado a la presión estática, se puede
definir la serie (Schedule) de los diferentes tramos de tuberías, o instalar “válvulas desfogues o drenes”
que eviten sobre presiones en las tuberías existentes
6.3.3. Temperatura de diseño y Efecto térmico.
La temperatura de diseño es la temperatura que representa la condición más severa en coincidentes de
operación.
Debido a los cambios de temperatura en la tubería sin anclajes tendrá un cambio de longitud como
resultado. Pero la tubería anclada o restringida desarrollará un esfuerzo longitudinal en lugar de sufrir un
cambio en su longitud. Este esfuerzo será de tensión cuando la temperatura disminuye y será de
compresión cuando la temperatura aumenta y puede añadir un esfuerzo adicional a las estructuras que
hacen el anclaje. Las estructuras deberán de ser diseñadas para resistir estos efectos térmicos y las
cargas generadas que pueden ser significantes.
El cambio en la longitud para una tubería sin restricción en una superficie sin fricción es:
Tabla 8 Coeficiente de elasticidad. MATERIALES G
Acero 0.5
Fundición 1
Hormigo armado 5
Fibrocemento 5.5
PVC 33.33
PE ( Baja densidad) 500
PE (alta densidad) 111.11
91
ΔL = Cambio de longitud, pulg. L = Longitud de la tubería, pulg. α = Coeficiente de expansión térmico este varía dependiendo del material. ΔT = Cambio en la temperatura, ºF.
Tabla 9 De coeficientes de expansión térmica en ºC. Material α (°C
-1) Material α (°C
-1)
Hormigón 1.2 x 10-5
Latón 1.8 x 10-5
Acero 1.2 x 10-5
Cobre 1.7 x 10-5
Hierro 1.2 x 10-5
Vidrio 0.7 a 0.9 x 10-5
Plata 3.0 x 10-5
Grafito 0.79 x 10-5
Oro 1.5 x 10-5
PVC 70.00 x 10-6
Plomo 3.0 x 10-5
PE-X 150.00 x 10-6
Zinc 2.6 x 10-5
PB 130.00 x 10-6
Aluminio 2.4 x 10-5
Una regla aproximada de dedo es 1/10/100, esto es que habrá un cambio de 1 pulgada, por cada 10ºF de
variación, por cada 100 pies de tubería. Este es un cambio significativo de longitud.
6.3.3.1. Efectos térmicos en la tubería anclada o sujeta.
Un segmento de tubo que está sujeto o anclado en ambos extremos y que se encuentra sujeto a una
disminución de la temperatura aplicará cargas a tensión importantes en los elementos de sujeción. El
esfuerzo de contracción térmico puede ser determinado utilizando la siguiente ecuación:
σ = Esfuerzo longitudinal en la tubería anterior. E = Modulo elástico, psi. Este puede ser utilizado de tablas.
La selección del módulo elástico puede tener un gran impacto en el esfuerzo calculado. Por lo que los
cambios de temperatura no ocurren rápidamente. Entonces, la temperatura promedio es la que se usa
para seleccionar el módulo elástico. Este esfuerzo de tención longitudinal puede ser calculado con la
siguiente ecuación.
F = Fuerza de empuje en los extremos. Lb. A = Área de la sección transversal de la tubería, in2.
Tabla 10 Valores de módulo de Young y tensión de ruptura para algunos materiales.
Material Módulo de Young (GN/m
2)
Tensión de Ruptura en Tracción (MN/m
2)
Tensión de ruptura en compresión (MN/m
2)
Aluminio 70 200
Acero 200 520
Hierro forjado 190 390
Cobre 120 300
Plomo 16 12
Latón 90 370
Hueso (Tracción) 17 120
Hueso (Compresión) 18 220
Granito 50 200
Vidrio 70 40
Hormigón 23 2 17
Madera 8 40 100
Poliestireno 3 50 100
Caucho 0.007
92
Los desplazamientos laterales pueden ser estimados por:
√(
⁄ )
Dónde: y = Deflexión lateral, pulg. L = Distancia entre los extremos, pulg. α = Coeficiente de expansión térmico, pulg/pulg/ºF. ΔT = Cambio de temperatura, ºF
Esta ecuación es presentada para tuberías largas y que no cuentan con muchas restricciones, pueden
moverse a cualquier lado de la línea central. La siguiente ecuación describe la suma de estos
movimientos:
Dónde: yT = deflexión total, pulg. D = Diámetro de la tubería, pulg.
6.3.3.2. Juntas de expansión.
Una junta de expansión o compensador de dilatación es un elemento flexible, diseñado para resistir la
presión interior de un determinado fluido a la temperatura de trabajo, pero lo suficientemente flexible para
absorber los movimientos que se presenten en la tubería.
En un sistema de tuberías pueden aplicarse diversos métodos para absorber las tenciones producidas por
movimientos térmicos, (axiales, laterales y/o angulares), vibraciones, asentamientos de terreno,
desalineamientos del montaje. El más utilizado por parte de los diseñadores de sistemas de tuberías es la
junta de expansión, porque para la misma aplicación requiere menor espacio.
6.3.3.3. Restricciones
Para restringir o limitar el movimiento de sistemas de tuberías debido a expansión térmica.
Las restricciones se clasifican en:
Anclajes: Para fijar completamente la tubería en ciertos puntos.
Topes: Para prevenir el movimiento longitudinal de la tubería permitiéndole rotar.
Guías: Para permitir desplazamientos en una dirección específica.
Amortiguadores: Para limitar el movimiento de la tubería debido a fuerzas diferentes al peso y a la
expansión térmica.
Clasificación de los Amortiguadores o Snubbers:
Controladores de vibraciones: Para prevenir o disminuir vibraciones.
Amortiguadores hidráulicos o mecánicos: Para suprimir el movimiento debido a terremotos,
golpes de ariete, sin restringir la expansión térmica.
93
6.3.3.4. Aislamiento de tuberías.
El coeficiente de la conductividad térmica puede definirse como "la conductibilidad de un cuerpo que
transmite en una hora, por cada metro cuadrado de superficie, a través del espesor de un metro lineal de
material y por grado centígrado de diferencia de temperatura, UNA CALORÍA".
La cantidad de calor que pasa a través de un material es directamente proporcional a la diferencia de
temperatura mantenida entre sus dos caras, a la superficie considerada y a la duración de la transmisión.
En cambio, es inversamente proporcional al espesor del material. Si bien se pueden utilizar en la mayoría
de los casos, es indispensable tener en cuenta que tales cifras han sido establecidas basándose sobre dos
hipótesis:
Que la temperatura del aire sea de +20 °C Que la tubería no sea expuesta al viento.
Si la velocidad del viento es mínima, las cifras mencionadas en la Tabla 11 son utilizables. Para evitar
errores de cálculo es necesario proceder a una rectificación mediante una verificación adecuada.
Las pérdidas de una tubería expuesta a la acción del viento se determinan por la fórmula:
Dónde: t1 y ta = son las temperaturas del fluido y el aire respectivamente en °C. d = el diámetro exterior del caño a = coeficiente de transmisión de la superficie expuesta al aire. El coeficiente a se descompone en dos coeficientes parciales: ac y ar, correspondientes a la transmisión por convección y por radiación.
En la Tabla 11 se anota tal valor en la primera columna C 4,0 (para la tubería desnuda) y en la segunda
columna C 4,6 para la tubería recubierta de una capa protectora cualquiera - no aislante - (pintura, revoque
liviano de poco espesor etc.).
Tabla 11 De coeficientes de expansión térmica en ºC
T de la superficie
en °C
Coeficiente de transmisión de calor
0 20°c 40°c
4.0 4.6 4.0 4.6 4.0 4.6
0 3.2 3.6
20 3.6 4.1 4.0 4.5
40 4.0 4.5 4.4 5.0 4.9
60 4.5 5.0 4.9 5.5 5.4 5.5
80 5.0 5.6 5.4 6.1 5.9 6.0
100 5.5 6.2 6.0 6.7 6.5 6.6
150 7.0 7.9 7.6 8.6 8.2 7.3
200 8.9 10.0 9.4 10.6 10.0 9.2
250 11.1 12.5 11.7 13.2 12.4 11.3
300 13.6 15.3 14.4 16.2 12.2 14.0
350 16.6 18.7 17.4 19.6 18.8 17.2
94
400 20.0 22.4 20.8 23.4 21.7 20.5
450 23.7 26.7 24.6 27.8 25.6 24.4
500 28.1 31.6 29.2 32.8 30.2 28.8
El coeficiente de transmisión por convección de la superficie expuesta al aire, es, al contrario, influenciado
por la exposición al viento. La Tabla 11 indica el coeficiente por m2 de superficie.
Coeficiente de transmisión de calor para una velocidad del viento en m/seg. de :
Tabla 12 Coeficientes de transmisión por convección Diámetro ext. En
(M) 1 2 5 10 25
0.026 17.9 24.5 39.8 63.0 115.0
0.054 11.9 17.4 31.0 50.0 93.0
0.076 9.9 1.0 27.3 43.8 83.0
0.102 8.8 13.5 24.8 40.2 76.0
0.152 4.5 11.7 21.9 35.5 68.0
0.203 6.8 10.7 20.1 32.6 63.0
0.300 5.7 9.1 17.3 28.1 55.0
0.500 4.9 7.9 14.9 24.3 47.4
0.700 4.3 7.1 13.3 21.9 42.7
La velocidad media del viento a 5 metros por segundo corresponde a la simple exposición al aire libre. El
valor de 25 m/segundo es
raramente alcanzado y debe
ser utilizado únicamente en
los casos de exposición
desfavorable (orilla del mar,
costa fuera, etc.). Cálculo
para los casos de superficies
no expuestas al aire.
En la gráfica siguiente
(Grafica 17) las curvas
respectivas permiten fijar con
mucha aproximación la
temperatura (ts) que resultará
sobre la superficie del material
aislante (diferencia en más de la temperatura ambiente (ta), en base a las cifras de las pérdidas de K
(calorías), en superficies planas y tubería por m2/h.
Grafico 17 Para superficies planas y tubería.
95
Grafico 18 Perdida de calor de las tuberías no aisladas, por cada metro lineal hora.
NOTA LA PERDIDA ANOTADA PARA LA TUBERÍA DE MÁXIMO DIÁMETRO (420 MM) CORRESPONDE
PRÁCTICAMENTE A LA PERDIDA SOBRE SUPERFICIES PLANAS, POR M2 HORA, A LAS DIFERENTES
TEMPERATURAS.
96
(Se observará que en los casos de tuberia convenientemente aislada, se anota un valor aproximado de la
diferencia de temperatura sobre la superficie del aislamiento y el aire, dividiendo por 10 la cifra de
dispersión por m2).
Cálculo para superficies planas:
Una vez obtenida, mediante el cálculo la pérdida por m2/h, con el auxilio de la gráfica para superficies
planas y tuberías, se podrá anotar fácilmente, en la curva correspondiente a las superficies planas
aisladas, la temperatura que se registrará sobre el material aislante (diferencia en más de la temperatura
ambiente).
Cálculo para tuberías:
Una vez determinada la pérdida residual por metro lineal de tubería aislada (ecu.32 cap6), se fijará la
pérdida por m2 aprovechando los datos de la Grafica 18, luego por simple lectura de la Grafica 17, se
podrá obtener la sobre elevación de temperatura ts sobre el material aislante (diferencia en más de la
temperatura ambiente ta).
6.3.3.5. Perdida residual de calor sobre superficies planas y tuberías
Para superficies planas empleamos lo siguiente:
[ ]
Dónde: Q[cal] = Cantidad de calor perdido por hora y por m2 en Kcalorías e = Espesor del material aislante a través del cual se verifica el pasaje de calor, expresado en metros. λ= Coeficiente de conductibilidad térmica del material expresado en Kcal/m/h/°C, a la temperatura media de
Dónde: ti = Temperatura interna, expresada en °C te = Temperatura exterior, expresada en °C
Para tuberías.
[ ]
Donde. Q[cal] = Cantidad de calor perdido por hora y por metro lineal en Kcalorías de = Diámetro exterior del tubería AISLADO, en m di = Diámetro exterior del tuberia DESNUDO, en m L (de/di) = Log. Neperiano correspondiente al factor proporcional de los diámetros de y di.
La fórmula anterior es una simplificación de la original más rigurosa:
[ ]
97
Dónde: αo = Coeficiente de intercambio entre el fluido interno y la tubería. α1 = Coeficiente global de intercambio entre la superficie del aislamiento y el aire. λ1 = Coeficiente de conductibilidad del metal de la tubería. di = Diámetro interno de la tubería expresado en metros.
En casos determinados, (por ejemplo, tuberías expuestas a la fuerte acción del viento) se podrá aplicar la
siguiente fórmula:
[ ]
Esta fórmula sirve también para reservar un margen de seguridad en los cálculos de pérdidas. A
continuación se presenta una “Tabla Tipos de aislantes y aplicaciones” con sus valores de λ para diversos
materiales aislantes
6.3.3.6. Importancia de los aislamientos
La protección aislante de las bridas y de las válvulas debe ser considerada paralelamente a la de las
tuberías. Aunque el cálculo exacto de las pérdidas antes y después del aislamiento resulta más complejo
para bridas y válvulas que para tuberías. (Ver tabla 13).
Tabla 13 Perdidas de Kcal/hr para bridas no aisladas
tubo en (MM) 100.0 °C 150.0 °C 200.0 °C 250.0 °C 300.0 °C 350.0 °C 400.0 °C
47.5 105.0 219.0 320.0 486.0 650.0 825.0 1000.0
59.0 120.0 235.0 355.0 530.0 690.0 955.0 1200.0
76.0 160.0 305.0 475.0 705.0 925.0 1150.0 1450.0
89.0 180.0 345.0 530.0 785.0 1420.0 1360.0 1700.0
103.0 213.0 420.0 630.0 900.0 1200.0 1600.0 2000.0
121.0 245.0 480.0 700.0 1000.0 1340.0 1950.0 2400.0
140.0 310.0 570.0 835.0 1170.0 1580.0 2320.0 2850.0
159.0 360.0 660.0 970.0 1360.0 1800.0 2600.0 3250.0
191.0 390.0 755.0 1110.0 1600.0 2120.0 3250.0 3800.0
216.0 420.0 830.0 1260.0 1910.0 2620.0 3875.0 4500.0
241.0 450.0 960.0 1470.0 2200.0 3000.0 4200.0 5100.0
267.0 480.0 1050.0 1600.0 2450.0 3300.0 4550.0 5600.0
292.0 520.0 1130.0 1720.0 2650.0 3650.0 4900.0 6000.0
318.0 600.0 1240.0 1870.0 3940.0 4050.0 5300.0 6750.0
343.0 670.0 1370.0 1900.0 3110.0 4350.0 5720.0 7250.0
368.0 750.0 1430.0 2080.0 3320.0 4630.0 5980.0 7900.0
394.0 820.0 1500.0 2200.0 3580.0 4950.0 6700.0 8600.0
PERDIDAS DE KCAL/HR PARA VÁLVULAS NO AISLADAS
47.5 160.0 415.0 675.0 1230.0 1800.0 2400.0 3500.0
59.0 175.0 445.0 715.0 1550.0 1960.0 2750.0 4000.0
76.0 240.0 570.0 950.0 1710.0 2400.0 3350.0 4500.0
98
89.0 265.0 600.0 1050.0 1960.0 2820.0 3900.0 5000.0
103.0 320.0 800.0 1250.0 2200.0 3200.0 4350.0 6000.0
121.0 350.0 900.0 1400.0 2520.0 3600.0 4800.0 7500.0
140.0 490.0 1240.0 1750.0 3150.0 5100.0 5560.0 8900.0
159.0 520.0 1350.0 2025.0 3700.0 5550.0 7200.0 10100.0
191.0 575.0 1470.0 2250.0 4100.0 6000.0 8200.0 10900.0
216.0 610.0 1500.0 2400.0 5050.0 7200.0 9800.0 13400.0
241.0 690.0 1640.0 2700.0 5820.0 8700.0 11750.0 15600.0
267.0 765.0 1880.0 2920.0 6400.0 9700.0 13400.0 17500.0
292.0 825.0 2020.0 3250.0 6930.0 10600.0 14300.0 19000.0
318.0 900.0 2090.0 3500.0 7300.0 11500.0 15700.0 21500.0
343.0 975.0 2300.0 3800.0 7650.0 12600.0 17000.0 23000.0
368.0 1040.0 2500.0 4100.0 8100.0 13400.0 18700.0 25500.0
394.0 1120.0 2670.0 4300.0 8700.0 14500.0 20500.0 32000.0
6.3.3.7. Calentamiento de tuberías (tracing).
El calentamiento de tuberías se hace con la finalidad de:
Mantener los líquidos (lo suficientemente fluidos) de alta viscosidad o líquidos que tiendan a formar
depósitos sólidos, para mantener condiciones de escurrimiento.
Mantener determinados líquidos, por exigencias del proceso, dentro de ciertos límites de
temperatura.
Precalentar tuberías en el inicio del funcionamiento para licuar depósitos sólidos que se hayan
formado en el interior de los caños cuando el sistema estuvo fuera de servicio.
Sistemas usados para calentamiento.
Tuberías con calentamiento externo paralelo.
El calentamiento se realiza con uno o más tubos de
vapor de pequeño diámetro yuxtapuestos externamente
a la tubería principal. Son fijados con alambre
galvanizado a la tubería, y todo el conjunto es recubierto
con aislante. (Ver Tabla 13).
Tubo de calentamiento externo.
En este sistema el tubo de calentamiento es enrollado en
espiral en la tubería a calentar. Esta disposición es
utilizada sólo cuando se desea un mayor intercambio de
calor, o para calentamiento de accesorios o equipos de
formato irregular. “Diseños especiales”.
Ilustración 46 Calentamiento externo “vena de
calentamiento”
99
Tubo de calentamiento interno.
Para tuberías de gran diámetro, después de 12", debido a las dificultades de calentarlo con tubos externos
suele usarse el sistema de calentamiento interno o suele seleccionarse un adecuado aislamiento para
mantener la temperatura a lo largo de la trayectoria de la tubería. En este sistema el calentamiento es
mucho mayor que en la disposición con tubos externos, pero tiene las siguientes desventajas
a) Construcción cara y complicada.
b) Problemas de dilatación diferencial entre la tubería y la tubería de calentamiento.
c) Posibilidad de contaminación y dificultad de localización de pérdidas para reparación y
mantenimiento.
d) No permite la limpieza mecánica de los tubos.
Tabla 14 Tipos de aislantes y sus aplicaciones
100
Calentamiento integral
Es un sistema pocas veces empleado; el tubo de pasaje de vapor es integral con el tubo a calentar
formando una pieza única.
Camisa externa
En este sistema el fluido de calentamiento corre por un tubo de diámetro mayor que envuelve
completamente la tubería a calentar.
Es de costo elevado y mantenimiento difícil. Permite en cambio un calentamiento controlado rápido intenso
y muy riguroso, siendo utilizado sólo cuando existe la necesidad de estos requisitos. Se utiliza
frecuentemente el agua caliente en lugar de vapor de calentamiento para camisas externas.
Calentamiento eléctrico (electric tracing)
En este sistema el calentamiento se realiza por el pasaje de una corriente eléctrica de gran intensidad en
cables que se colocan a lo largo de la tubería a calentar. El voltaje utilizado es bajo. La intensidad de la
corriente es regulada por un termostato cuyo bulbo es fijado a la tubería, midiendo la temperatura de pared
del mismo. Se consigue así controlar el calentamiento con bastante precisión.
Es de mayor costo que el calentamiento por vapor pero es usado cuando no se dispone del mismo. El
costo operativo es menor que el steam tracing, y su respuesta en la partida de la operación es más rápida.
6.3.4. Perdidas en tuberías.
Las pérdidas de energía dinámica del fluido debido a la fricción, de las partículas del fluido entre si y contra
las paredes de la tubería que las contiene, dichas pérdidas de energía pueden ser continuas y
significativas para tramos grandes de tubería, o accidentales o localizadas, debido a circunstancias
particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección o debidas a la presencia de accesorios en
tuberías.
Las pérdidas de energía que tienen lugar en una conducción representan la pérdida de energía de un
fluido hidráulico a lo largo de la misma por efecto del rozamiento del fluido con el material de conducción y
otros elementos.
En todas las tuberías, válvulas y accesorios que constituyen una red de flujo presentan cierta resistencia al
paso de un fluido a través de ellas. La pérdida de energía debe ser tomada en cuenta para el diseño de los
sistemas hidráulicos, con el objeto de proponer elementos que contrarresten esas pérdidas y lograr que el
fluido llegue al lugar deseado. (Ver las Siguientes tablas 15 y 16).
Cuando se hace circular un fluido a través de una tubería, observamos que existe una pérdida de energía
debida a la fricción entre el fluido y la tubería. Esta pérdida de energía se manifiesta como una disminución
101
de la presión del fluido. Esta caída de presión en una tubería horizontal y sin accesorios se puede calcular
de la siguiente forma:
[
] [
]
El flujo en la sección de tubo a medir se obtiene con la siguiente ecuación.
√
( )
ΔP es la caída de presión que queremos medir.
Tabla 15 Velocidades y Pérdidas de Carga Recomendadas.
Ρ es la densidad del flujo de fluido que estamos midiendo. f es el factor de fricción L es la longitud del tramo de tubería. D es el diámetro de la tubería. v es la velocidad promedio del fluido de la tubería.
102
La caída de presión puede determinarse con la ayuda de un manómetro diferencial conectado en los
extremos de una sección de tubería.
Tabla 16 Continuación velocidades y Perdidas de Carga Recomendadas
Para la determinación de la velocidad promedio del fluido de la tubería se utiliza por ejemplo un medidor
tipo venturi, que consiste en una disminución gradual en el diámetro. Aplicando la ecuación de Bernoulli
para esta sección, podemos encontrar que una aproximación de la velocidad está dada por la siguiente
ecuación:
√
Cd venturi = 0.9858-0.196 (β)4.5
β = D0/D1
At = π D0 2/4
Los factores que quizás son de los más importantes es el cálculo del factor de fricción f. este factor
depende de las propiedades físicas del fluido (como su viscosidad y su densidad), además depende de las
103
propiedades de la tubería como son el diámetro y la rugosidad. Una manera de obtener el valor del factor
de fricción es ayudándose del diagrama de Moody y otra es utilizando la ecuación de Cole-brook.
Grafico 19 Diagrama de Moody
√ *
⁄
√ +
Re es el número de Reinolds
D es el diámetro de la tubería.
f es el factor de fricción
Existen múltiples ecuaciones para el cálculo de “f”, a continuación se presentan las más importantes para
el cálculo de tuberías.
BLASIUS (1911). Propuso una expresión en la que “f” está dada en función del Número de Reynolds, es
válida para tubos lisos, en los que ε1 no afecta al flujo al tapar la subcapa laminar las irregularidades.
104
Prandtl y Von Karman (1930). Amplían el rango de validez de la fórmula de Blasius para tubos lisos.
√ (
√ )
6.3.4.1. Perdidas primarias.
Se producen cuando el fluido está en contacto con la superficie de la tubería. Provocando que rocen unas
capas con otras (flujo laminar) o de partículas de fluidos entre sí (flujo turbulento). Estas pérdidas se
realizan solo en tramos de tuberías horizontales y de diámetro constante.
6.3.4.2. Perdidas secundarias.
Se producen en transiciones de la tubería (estrechamiento o expansión) y en toda clase de accesorios
(válvulas, codos, etc.).
6.3.4.3. Pérdidas de presión en accesorios
Los accesorios en tuberías son el conjunto de piezas modeladas o mecanizadas que unidas a los tubos
mediante un procedimiento determinado forman las líneas estructurales de tuberías de una planta de
proceso.
6.4. Materiales para tuberías.
La importancia de las tuberías es muy grande son de los materiales industriales los más usados, en una
planta, el costo mismo de estas puede llegar a alcanzar hasta el 50 o 70 % de los equipos de planta de
proceso y el 15 o 20% del total de la instalación.
Actualmente existen una gran variedad de materiales para la fabricación de tuberías. Por ejemplo las
normas ASTM especifican alrededor de 150 tipos diferentes.
Tuberías metálicas: Ferrosas: Acero al carbono. Acero de baja aleación. Acero Inoxidable. Hierro fundido. Hierro forjado. No Ferrosas: Cobre. Latón. Bronce. Monel. Cupro-Niquel. Níquel. Plomo. Aluminio. Titanio.
Tuberías Plásticas: Cloruro de polivinilo PVC. Politetrafluoroetileno (Teflón). Poliestireno. Polietileno. Epoxi. Poliéster, entre otras. Tuberías no metálicas: Vidrio. Cerámica. Porcelana. Caucho.
105
La elección de los materiales va de acuerdo a una determinada aplicación esto causa algunos conflictos
siendo un problema frecuente su selección por diferencia de opiniones, la selección depende
principalmente de la presión y temperatura de trabajo, del flujo conducido (corrosión, contaminación),
costos, grado de seguridad requerida, sobrecargas extremas, por mencionar algunos.
6.4.1. Métodos de fabricación
Existen 6 procesos de fabricación de tuberías.
Tuberías sin costura:
Fundición.
Forja.
Extrusión.
Laminación.
Tuberías con costura:
FWP (Furnace Weldede Pipe).
ERW (Electric Resistance
Welding).
Fundición:
En este proceso, el material en estado líquido se moldea tomando su forma final. Se fabrica mediante este
proceso tubos de hierro fundido, algunos aceros especiales no forjables y la mayoría de los no metálicos
como vidrio, porcelana, hormigón, cauchos, etc.
Para tubos de hierro fundido de buena calidad se usa el procedimiento de centrifugado en el que el
material líquido es colado en un molde rotativo que da como resultado una composición más homogénea
de las paredes.
Forja:
Es el menos usado. Solo se utiliza para tubos de paredes gruesas, para muy altas presiones. El lingote de
acero es previamente perforado en el centro de una broca, en frio. Luego la pieza es calentada en un
horno y las paredes son forjadas con un martinete contra un mandril central. El lingote sufre durante la
forja un notable aumento de longitud.
Extrusión:
En la fabricación por extrusión, una pieza cilíndrica de acero en estado pastoso es colada en un recipiente
de acero debajo de una poderosa prensa. En una única operación, que dura pocos segundos se produce:
El embolo de la prensa, cuyo diámetro es el mismo que el de la pieza, se apoya sobre la misma
El mandril accionado por la prensa agujera completamente el centro de la pieza.
De inmediato, el embolo de la prensa empuja la pieza obligando al material a pasar por una matriz
calibrada con el diámetro exterior de la tubería.
Los tubos salen de la operación con paredes gruesas después son llevados aún calientes, a un
laminador de cilindros o rolos para reducir su diámetro.
Finalmente van a otros laminadores para lograr un diámetro final normalizado y reducción mayor
del espesor. En este proceso se fabrican tubos de diámetro nominal de hasta 3" en acero y también
de aluminio, cobre, latón, bronce, plomo y materiales plásticos.
106
Ilustración 47 Formación de Tubos por extrusión.
Laminación
Los procesos de laminación son los más importantes para la fabricación de tubos sin costura. Se emplean
para tubos de acero al carbono, de baja aleación
e inoxidables. Uno de los más difundidos, el
proceso "Mannesmann" es el siguiente:
Un lingote de acero con diámetro
aproximado del tubo que se quiere fabricar, se
calienta a una temperatura de aproximadamente
1200 grados C y llevado al denominado "
laminador oblicuo".
El laminador oblicuo está formado por
rolos de doble cono, con ángulos muy
pequeños. El lingote es colocado entre dos
rollos que giran, lo prensan y a la vez le
imprimen un movimiento de rotación y otro de
traslación.
EL lingote es presionado contra un
mandril cónico que se encuentra entre los rollos.
El mandril abre un agujero en el centro del
lingote, transformándolo en un tubo y alisando
continuamente la superficie interior del mismo. El mandril está fijo y su longitud es mayor que la
del tubo a formar (Ilustración 41. Laminador oblicuo).
El tubo formado en la primera operación tiene aún paredes muy gruesas. Es llevado entonces a
un segundo laminador oblicuo, luego de haber sido retirado el mandril y estando aún caliente,
se adelgazan las paredes ajustando el diámetro externo y aumentando su longitud.
Ilustración 48 Laminador oblicuo
107
Al pasar por los laminadores oblicuos el tubo se curva. Se le hace pasar de inmediato por un
tren enderezador consistente en rodillos con la curva del diámetro exterior del tubo, dispuestos
para ejercer fuerzas laterales que finalmente dejan el tubo recto.
Finalmente el tubo sufre una serie de calibraciones y alisado de las superficies interna y externa
(Ilustración 42. Laminador para acabado). Este proceso se usa en tubos de 3" a 12" y en
Estados Unidos hasta 24".
Tuberías con costuras
Todas las tuberias con costura son
fabricados a partir de flejes de acero
laminado (bobinas). En estos el tipo de
unión es por medio de soldaduras.
FWP (FURNACE WELDED PIPE).
1. Un fleje continuo es empujado por
cilindros que giran,
introduciéndolo en un horno que
lo lleva a una temperatura de
aproximadamente 1200° Celsius
(en la salida del horno).
2. Un grupo de cilindros colocado a
la salida del horno deforman el
fleje hasta cerrar un cilindro
presionando fuertemente los
bordes que a esa temperatura se
sueldan.
3. Luego el tubo es cortado por una sierra cada 6, 9 ó 12m según sea la longitud requerida.
4. Los tubos pasan por una calibradora y por un chorro continuo de agua que al mismo tiempo de
enfriarlo le quita el laminillo o escamas que se forman en el proceso de enfriamiento.
5. Más tarde se los transporta a través de mesas de transferencia donde son sometidos a una lluvia
continua de agua y una vez enfriado se los pasa por juegos de cilindros enderezadores. Finalmente
se los frentea con tornos y cuando es requerido se procede a roscar los extremos.
6. Este proceso se usa para caños de hasta 3" de diámetro nominal.
ERW (ELECTRIC RESISTANCE WELDING)
1. En este caso la operación de formación del tubo se realiza en frío, haciendo pasar el fleje continuo
por rolos que gradualmente lo doblan hasta su forma cilíndrica.
2. Luego de formado el tubo se cierra por soldadura continua ejecutada por máquina (arco sumergido
en gas inerte).
Ilustración 49 Laminador para acabado
108
3. El proceso se termina pasando el tubo por enderezadores y si así fuere requerido por un
tratamiento térmico en horno, para alivio de tensiones producidas en el área de la soldadura. Luego
son frenteados y si es requerido, roscados.
4. En el caso antes descrito la soldadura es longitudinal y se utiliza para caños de hasta 4" de
diámetro nominal.
Para diámetros mayores (hasta 24") es común utilizar soldadura helicoidal con arco sumergido. Según sea
el espesor del material pueden ser requeridas dos o más pasadas externas y una interna. Estos tubos son
de mejor calidad que los de soldadura por presión (en caliente).
6.4.2. Tipos de materiales.
Los requisitos o características que debe cumplir una tubería consisten fundamentalmente en reunir ciertas
propiedades mecánicas y tener ciertas características de resistencia al medio al que serán expuestas, lo
que está determinado, fundamentalmente, por el material, método de fabricación y tratamiento térmico de
éste.
No existe una norma única y se han desarrollado normas específicas para cada tipo de aplicación. Por lo
que el número de normas ASTM que existen para caños y tubos es muy amplia.
La ASTM organiza las múltiples normas en grupos separados; las referentes a metales ferrosos (hierros y
aceros) tiene el prefijo “A”, materiales no ferrosos llevan el prefijo “B”, y las que llevan una doble
designación como A789/A789M-99. A continuación se presenta una tabla con los diferentes materiales y
las normas que estos manejan para cada caso.
Tabla 17 Materiales y normas
Nombre UNS Tuberías
C/C
Tuberías
S/C
Tubos
C/C
Tubos
S/C
Fittings
forjados
Fittings
fundidos
Planchas,
laminas, flejes
Barras
ACEROS INOXIDABLES
AUST
ENIT
ICOS
304 /
304L
S30400
/
S30403
A312, A358,
A409, A813,
A814
A312, A376 A249, A269,
A270, A688,
A554, A632,
A778, A851
A213, A269,
A270, A271,
A511, A632
A403, A182,
A473, A774.
A351
(CF8/CF3M)
A743, A744
A240 A276,
A476
304H S30409 A312, A358,
A813, A814
A312, A376 A249 A213, A271 A403, A182 A240 A479
316 /
316L
S31600/
S31603
A312, A358,
A409, A813,
A814
A312, A376 A249, A269,
A270, A688,
A554, A632,
A778,
A213, A269,
A270, A271,
A511, A632
A403, A182,
A473, A774.
A351
(CF8/CF3M)
A743, A744
A240 A276,
A476
316H S31609 A312, A358,
A813, A814
A312, A376 A249 A213, A271 A403 A240 A479
317 S31700 A312, A409,
A813, A814
A312 A249, A269,
A554, A632
A213, A269,
A511, A632
A403, A182,
A473
A351
(CG8M),
A743, A744
A240 A276,
A479
317L S31703 A312, A813,
A814
A312 A249, A778 A213 A403, A182,
A474
A743
(CG3M),
A744
A240
309S/
309H
S30908
/S3090
9
A312, A358,
A409, A813,
A814
A312 A249, A554 A213, A511 A182, A473 A351
(CH20),
A743, A744
A240 A276,
A479
301S/
310H
S301008
/S30100
A312, A358,
A409, A813,
A312 A249 A213, A511 A182, A473 A351
(CK20),
A240 A276,
A479
109
9 A814 A743
321 /
321H
S32100/
S32109
A312, A358,
A409, A813,
A814
A312, A376 A249, A269,
A554, A632,
A778
A213, A269,
A271, A511,
A632
A403, A182,
A473, A774
A240 A276,
A479
347 /
347H
S34700/
S34709
A312, A358,
A409, A813,
A814
A312, A376 A249, A269,
A554, A632,
A778
A213, A269,
A271, A511
A403, A182,
A473, A774
A351
(CF8C),
A743, A744
A240 A276,
A479
MAR
TENS
ITIC
OS
410 S41000 A268 A268, A511 A815, A182,
A473
A217 (CA15),
A743, A487
A240 A276,
A479
410S S41008 A473 A240
416 S41600 A473
420 S42000 A473 A743
(CA40)
A276
414 S41400 A511 A473 A276,
A479
431 S43100 A511 A473 A276,
A479
440 S44000 A268, A803 A268 A240 A479
FERR
ITIC
OS
444 S44400 A268, A803 A268 A240 A479
430 S43000 A554, A268 A268, A511 A815, A182,
A473
A743
(CA40)
A240 A276,
A479
405 S40500 A268 A268, A511 A473 A240 A276,
A479
409 S40900 A268, A803 A268 A240 A276,
A479
434 S43400
436 S43600
442 S44200 A743
(CB30)
443 S44600 A268 A268, A511 A815, A473 A743
(CC50)
A276
ACEROS AL CARBONO
A53 Gr. A
(tipo S,E)
A53 A53
A53 Gr. B
(tipo S,E)
A53 A53
A106 Gr. A A106
A106 Gr.
C
A106
A106 Gr.
B
AP15L AP15L
AP15L
Gr.X42
AP15L AP15L
AP15L
Gr.X60
AP15L AP15L
AP15L
Gr.X65
AP15L AP15L
AP15L
Gr.X70
AP15L AP15L
ACEROS ESPECIALES
DUPL
EX
2205 S31803/
S32205
A790, A928 A790 A789 A789 A815, A182 A890 (CD-
3MN)
A240 A276,
A479
SAF 2507 S32750 A790, A928 A790 A789 A789 A815, A182 A240 A479
2304 S32304 A790, A928 A790 A789 A789 A240 A276
Zerón 100 S32760/
J93380
A358, A790,
A928
A790 A789 A789 A815, A182,
A473
A351 (CD-
3MWCuN),
A890
A240 A276,
A479
7Mo Plus S32950 A790, A928 A790 A789 A789 A815, A182,
A473
A240 A479
Alloy 255 S32550 A790, A928 A790 A789 A789 A815, A473 A890 (CD-
AmCu)
A240 A276,
A479
110
6 M
OLY
AL6XN N08367 A312, A358,
A409, A813,
B804, B675,
B775
A312, B690,
B829
A249, A269,
A270, A688,
B676, B751
A249, A269,
B690, B829
A182, B462,
B564
A351
(CK3MCun),
A743, A744
A240, B688 B691, B472
254 SMO S31254 A312,A358,
A409, A813,
A814
A312 A249, A269,
A270
A269, A270 A182, A403 A351
(CK3MCun),
A743, A744
A240 A276,
A479
654 SMO S32654 A312, A358 A312 A249, A269 A269 A240
ALTA
TEM
PERA
TURA
309 S30900 A351
(CH20),
A743, A744
A276
310 S31000 A351
(CH20),
A743
A276
321 S32100 A240 A276,
A479
446 S44600 A268 A268, A511 A473, a815 A743
(CC50)
A276
153MA S30415 A312, A358 A312 A249 A240
253MA S30815 A312, A358,
A409, A813,
A814
A312 A249 A213 A182 A240 A276,
A479
RA333 N06333 B723, B775 B722, B829 B751 B722, B829 B718 B719
353MA S35315 A312 A312 A240 A479
RA85H S30615 A312 A312 A249 A213 A240
ENDU
RECI
BLES
17-4PH S17400 A705 (CB7Cu-1)
A747
6.5. Tipos de cargas y esfuerzos para tuberías
Las tuberías son componentes esenciales en el transporte de fluidos, el análisis de falla de tuberías es
esencial e importante para prever daños en los sistemas de tuberías. Por tal motivo las técnicas y métodos
de análisis de esfuerzos y cargas para tuberías han mejorado. “Las primeras técnicas y desarrollo de esta
especialidad, se deben a investigadores como S. Crocker, Mc Curtchan, J.E. Brock”, Estos métodos fueron
basados en conceptos sencillos de análisis de estructuras, como el método de centro elástico por ejemplo,
este proporciona un resultado satisfactorio solo para efectos de expansión/contracción térmica.
Más adelante se resumen las posibles cargas típicas que deben considerarse en el diseño de tuberías.
El código ASME/ANSI B31.3 para tuberías, favorece el uso de la teoría del esfuerzo cortante máximo para
la combinación de esfuerzos, debidos a las fuerzas resultantes obtenidas como resultado del análisis de
flexibilidad a un arreglo de tuberías, por efecto de temperatura, presión, y cargas vivas o accidentales.
Dicho criterio TRESCA, es el adoptado para tal efecto en el código para la evaluación de esfuerzos por
flexión y torsión obtenidos en nuestros arreglos de tuberías.
111
6.5.1. Cargas
6.5.1.1. Cargas térmicas.
Estas cargas son originadas al limitar la expansión/contracción térmica, a través de interconexiones a
equipos y como resultado de las restricciones de desplazamiento inducido por el sistema de apoyos y
soportes.
6.5.1.2. Cargas sostenidas y ocasionales.
Sostenidas: Son las cargas debidas al peso propio, cargas vivas (fluido interno, nieve, etc.), presión,
vibraciones y otras.
Ocasionales: Son originadas por efectos de corta duración o baja duración acumulada, debido a
condiciones de arranque, paros, instalaciones, mantenimiento (regeneración y/o de-coquizado, secado,
etc.).
6.5.1.3. Cargas accidentales.
Originadas usualmente por efectos naturales como; sismos, vientos, etc., las cuales generalmente son de
corta duración, pero muy severas, se debe considerar su efecto en el diseño. Se hace necesario tener una
evaluación confiable de todas las solicitudes a las cuales puede estar sujeta la tubería en su vida útil.
Los efectos del viento y sismo, son similares a estructuras convencionales, mientras que los efectos de
presión y térmicos a lo largo de una tubería, difieren completamente de estructuras convencionales.
6.5.2. Esfuerzos
6.5.2.1. Esfuerzo equivalente:
√
SE= esfuerzo equivalente. Tiene que sea comparado
con el rango de esfuerzos permisibles. (SA) (Lb/pulg2).
Sb= Esfuerzo de flexión resultante (lb/pulg2).
St= Esfuerzo torsional (lb/pulg2).
Mb= Momento resultante de flexión (lbs-pulg).
Mt= Momento torsional (lbs-pulg).
Z= Modulo de sección de la tubería (pulg3)
i= Factor de interacción de esfuerzos.
Ilustración 50 Momentos en tuberías.
112
Si sustituimos en ecuación 1, se tiene lo siguiente.
√
Dónde:
√
6.5.2.2. Esfuerzos permisibles.
El efecto térmico de las tuberías, juega un papel muy importante en toda planta industrial, por lo tanto, los
esfuerzos por expansión térmica, representan el rango que van desde cero (sin deformaciones por
esfuerzos térmicos “condicione de instalación”), hasta un valor máximo de temperatura en operación
normal. Cuando estos esfuerzos son considerables, se produce una deformación tipo plástica permanente.
Lo cual produce una reducción de esfuerzos que aparecen en sentido inverso a la condición en frio.
Básicamente en lo anterior, el código ANSI B31, establece como límite de esfuerzos por expansión térmica
el llamado “Rango de Esfuerzos Permisibles SA”, definido por la ecuación.
Dónde:
SA = Esfuerzo Permisible (lbs/pulg2).
Sc = Esfuerzo básico permisible del material de la tubería a la temperatura ambiente (lbs/pulg2).
Sh = Esfuerzo básico permisible del material de la tubería a la temperatura de operación (lbs/pulg2).
F = factor de reducción de esfuerzos por condiciones cíclicas.
Este factor depende del número total de ciclos (N) a los que el sistema estará sujeto durante su vida
útil y puede ser obtenido directamente de tabla, tomada del código ANSI B31.3.
6.5.2.3. Esfuerzos aditivos.
En tuberías sujetas a presión el código establece, que si los esfuerzos debidos a la presión, peso y cargas
sostenidas (SL), son menores al esfuerzo básico permisible del material Sh el rango de esfuerzos
permisibles (SA) del material, se ve incrementado por la diferencia f (Sh - SL) llamado ·”esfuerzo aditivo”,
por lo cual la ecuación de los esfuerzos permisibles queda como:
Tabla 18 Factor F esfuerzos por condiciones cíclicas Numero de ciclos (N) Factor f
7,000 y menos 1.0
7,00 a 14,000 0.9
14,000 a 22,000 0.8
22,000 a 45,000 0.7
45,000 a 100,000 0.6
Arriba de 100,000 0.5
113
Dónde:
Sc = Esfuerzo permisible a temperatura ambiente (lbs/pulg2).
6.5.2.4. Esfuerzos por presión (HOOP)
La presión del fluido dentro de la tubería produce un esfuerzo tangencial o circunferencial SCp que
ocasiona un aumento en el diámetro de la tubería, y un esfuerzo longitudinal SLp que produce un aumento
en la longitud de la misma.
Si el espesor t de la tubería es pequeño comparado con el diámetro exterior D (D/t >6), puede suponerse
que estos esfuerzos se distribuyen uniformemente a lo largo del espesor. Para determinar el esfuerzo
tangencial Sp, se pasa un plano longitudinal imaginario que divida a la tubería en dos partes iguales. La
fuerza resultante de los esfuerzos tangenciales debe estar en equilibrio con la resultante de la presión
interna p sobre la mitad de la superficie de la tubería.
( )
En el código B31.3, esta ecuación es ajustada en dos sentidos, dado que en realidad Sp no es uniforme a
lo largo del espesor, el valor obtenido por la ecuación anterior puede tomarse como un valor promedio.
Diámetro interno:
Diámetro medio:
Por lo que el esfuerzo por presión debe calcularse como:
Dónde: Y = factor que depende de la temperatura de diseño y del tipo de material.
P<ES Sp = ES, es el esfuerzo admisible por presión. S = es el esfuerzo admisible básico a la temperatura de diseño. E = es el factor de calidad.
Este factor se interpreta, según sea el caso, como n factor de calidad de la función Ec para tuberías de
hierro fundido o como un factor de calidad de la soldadura, Ej, para tuberías de acero con costuras. Estos
factores de calidad están tabulados en los códigos para diferentes casos. Generalmente Ec= 0.80 y 0.60 <
Ej <1.0.
114
6.5.2.5. Esfuerzos por cargas de expansión.
Cuando la temperatura del sistema se eleva desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de
operación, la tubería se expande. Debido a que no puede hacerlo libremente por las restricciones
impuestas por los equipos y soportes, se dobla y tuerce, generándo momentos flectores, así como un
momento de torción en cada sección transversal de la tubería.
Los momentos flectores Mi y Mo, producen un esfuerzo máximo longitudinal.
√
Mientras que el momento torsos Mt genera un esfuerzo máximo de corte.
Ambos esfuerzos se calculan utilizando el espesor nominal. Para analizar la resistencia de la tubería sujeta
en el estado combinado de cargas debe utilizarse una teoría de fallas. El código B31.3 utiliza la Teoría del
esfuerzo de corte máximo (teoría de tresca), la cual establece que para que no se produzca una falla, el
esfuerzo de corte máximo en el ensayo de tracción para un nivel determinado de carga. Para determinar el
esfuerzo de corte máximo en la tubería se tienen que evaluar primero los esfuerzos principales:
√(
)
Entonces,
√(
)
Para que el material no falle,
√(
)
O bien:
√( )
Dónde: SE = se denomina esfuerzo de expansión y SA = es el esfuerzo admisible de expansión
Por viada esperada se entiende el total de años que el sistema estará operando (número de ciclos de
vida). Los códigos establecen que si el esfuerzo longitudinal por cargas sostenidas es inferior al esfuerzo
admisible, es decir, si SL < Sh, entonces la diferencia Sh – SL puede agregarse al esfuerzo admisible SA.
115
[ ]
Entonces:
[ ]
6.6. Flexibilidad.
La flexibilidad es una de las propiedades de un material para deformarse dentro de su límite elástico por
efecto de cargas externas o esfuerzos. En un sistema de tuberías, las cargas y esfuerzos externos que se
pueden encontrar y que a las que se deben someter a estudio son los efectos térmicos, sostenidos y
ocasionales mencionados en el tema 6.5. Tipos de cargas y esfuerzos en tuberías. El análisis estructural
de sistemas de tuberías, en general establece que el análisis estructural de sistemas de tuberías consta de
tres etapas que son:
Análisis de flexibilidades. Cuyo objetivo es determinar las reacciones sobre apoyos, boquillas de
equipos interconectados, fuerzas internas y desplazamientos a lo largo del trazo de la tubería.
Análisis de esfuerzos. Cuyo objetivo es obtener los esfuerzos resultantes a que están sujetos los
diversos componentes de la tubería y equipos interconectados.
Fuerzas y esfuerzos permisibles. Se comparan las fuerzas y esfuerzas actuantes con los valores
permisibles que establecen los códigos o los fabricantes de los diversos equipos.
En el caso de no cumplir con alguno de los puntos, se tendría que repetir el análisis de flexibilidad
haciendo las modificaciones requeridas a la configuración en base a los resultados obtenidos
anteriormente e indicando los soportes necesarios a la nueva configuración.
Los efectos perjudiciales que estas cargas pueden ocasionar son:
Esfuerzos excesivos en tuberías, soportes, estructuras y equipos.
Fugas en juntas bridadas.
Deformaciones excesivas en tuberías y en boquillas de equipos.
Aparición de efectos de resonancia en los sistemas sometidos a vibraciones.
6.6.1. Categorización de tuberías.
Esto consiste en definir qué grado de criticidad que tiene una línea o tubería para establecer qué tipo de
estudio y con qué grado de detalle es necesario realiza. Esta categorización se realiza en última instancia
según la experiencia del analista encargado de esta tarea pero en una primera aproximación la categoría
de las líneas se establece por las condiciones de operación y diseño (presión y temperatura), los equipos
conectados a ellas, el tipo de fluido que transportan, etc.
La categorización de las líneas se divide en 4 niveles o categorías, siendo la de mayor grado de criticidad
la categoría I y la menos crítica la IV como se indica.
116
6.6.1.1. Categoría I
Se trata de líneas de alta criticidad que deben ser señaladas al principio del proyecto, realizando incluso
estudios previos para tener en cuenta los posibles soportes. En la ingeniería de detalle se realizaran
estudios más minuciosos y definitivos de cada una de las líneas previamente categorizadas. En esta
categoría se incluyen:
Líneas de alta presión.
Líneas de transferencia a hornos.
Líneas de gran diámetro (>48” ó D/t >100)
Líneas de transporte de fluidos críticos por toxicidad, inflamabilidad, etc, incluidos en la
categoría M según ASME B31.3
Líneas de gas natural licuado (LNG).
Líneas con juntas de expansión.
Líneas con temperaturas superiores a los 400ºC.
Líneas sometidas a fatiga con más de 22000 ciclos.
Líneas de categoría II que a juicio del analista deben someterse a un estudio más
exhaustivo.
6.6.1.2. Categoría II.
Se trata de líneas con un grado de criticidad menor que las de categoría I pero en todo caso deben
someterse a un análisis formal mediante software de simulación, son los siguientes:
Líneas conectadas a bombas y compresores alternativos o centrífugos y turbinas que
cumplan las siguientes especificaciones:
Diámetro nominal menos de 3” y temperatura de diseño mayor que 65ºC o menor
que 6ºC.
Diámetro nominal mayor a 12”y temperatura de diseño mayor que 50ºC o menor que
6º C.
Líneas conectadas a enfriadores por aire.
Líneas conectadas a recipientes a presión.
Líneas conectadas a hornos y calderas.
Líneas sometidas a vibradores.
Líneas sometidas a fatiga con menos de 22000 ciclos.
Líneas conectadas a cajas frías.
Líneas conectadas a equipos de aluminio.
Líneas sometidas a cargas ocasionales importantes y que requieran se algún análisis
dinámico.
6.6.1.3. Categoría III.
Las líneas de esta categoría deben ser analizadas pero será suficiente con un cálculo manual sin
necesidad de usar simulaciones por ordenadores. Sin embargo, si los cálculos dan como resultado la
117
necesidad de realizar cambios en el diseño de la línea, se habrá que avalar esos cambios son un cálculo
formal por ordenador ya que los métodos manuales son más convencionales y un cálculo más formal
puede evitar que se realicen cambios de diseño innecesarios.
Todas las líneas conectadas a equipos sensibles que no estén incluidas en la categoría II.
Líneas catalogadas como Power Plant Piping según ASME B31.1
Métodos de análisis de flexibilidad manuales.
Método “simple” de la norma ASME B31.3
En la realización de análisis de flexibilidad de un sistema de tuberías, por categoría se utilizan diferentes
métodos, que van desde los análisis formales y precisos empleados a partir de software especializado,
hasta los métodos más sencillos como los mencionados en el código ASME B31.3. Para asegurar que un
sistema es flexible se debe cumplir la siguiente relación.
Dónde:
D es el diámetro exterior de la tubería (mm) o (pulg).y es la resultante de la expansión total (mm) o
(pulg). “En caso de que exista desplazamiento de los puntos de anclaje se tendrá en cuenta en los
incrementos de longitud en cada eje según corresponda”. El Cálculo de esta expansión total se
realiza de la siguiente forma:
L es la longitud total de tubería entre dos anclajes (m) o (ft)
U es la distancia en línea recta entre los dos anclajes (m) o (ft)
K1 es la constante cuyo valor es igual a 208000 Sa/Ea (mm/m)2 o 30 Sa/Ea (pulg/pies)2. Para una
temperatura de referencia de 21ºC (70ºf) se tiene para los aceros un valor de esta constante igual a
208 en unidades internacionales y 0.03 para unidades inglesas.
Como se ve en la expresión, un mayor diámetro supone una tubería menos flexible y por lo tanto que es
capaz de absorber menos expansión térmica. La diferencia entre la longitud de tubería y la distancia entre
los extremos es una forma de cuantificar los tramos de tubería que se sitúan perpendicularmente a la
dirección de la expansión térmica. Si la tubería es demasiado recta entre los dos anclajes, será también
menos flexible.
Este método no permite calcular numéricamente esfuerzos o cargas ya que como se ha visto se basa en
una expresión empírica que consiste en una comprobación basada en la geometría de la tubería, sin
realizar ningún cálculo de esfuerzos.
118
Método de Quy Truong.
Es un método basado también en ecuaciones con factores empíricos, para desarrollar tal método es
necesario tomar las siguientes consideraciones empíricas.
Los sistemas deben ser de espesor uniforme, con dos puntos de fijación sin restricciones
intermedias, con tramos rectos y cambios de dirección de 90º.
Se tiene en cuenta que la expansión térmica en un brazo debe ser absorbida por el brazo
perpendicular siendo la expansión que un brazo puede absorber inversamente proporcional
a su rigidez.
No deben existir ramales. En caso de existir ramales, deberían ser de diámetro menor a la
mitad del diámetro del cabezal para poder ser despreciado el efecto que estos causan.
Los esfuerzos máximos que se pueden generar en los sistemas cuando se conectan a
distintos equipos varían.
Con estas premisas se tienen dos expresiones para calcular el brazo necesario, perpendicular a la
dirección de la expresión térmica.
Para las líneas conectadas a recipientes o líneas situadas en racks:
√
Para las líneas conectadas a bombas o compresores:
√
Dónde: L = es la longitud del brazo perpendicular necesario (pies). Δ = es la expansión de la tubería (pulg). D es el diámetro exterior de la tubería (pulg).
Existen otros métodos que permiten calcular los esfuerzos en las restricciones como el método del Guided
Cantilever, sin embargo, en la práctica, cuando es necesario cálculo de esfuerzos por restricciones por ser
boquillas de equipos o casos similares, se recurre a cálculos más formales con sistemas de simulación. En
este método de cálculo se asume que las deflexiones ocurren en el plano bajo la aproximación guiada de
cantiléver
Para la aplicación adecuada de este método se debe considerar las siguientes limitaciones:
1. El sistema tiene solamente dos puntos terminales, las intersecciones de la esquina son el ángulo
recto y está compuesto por tramos de tubería recta de diámetro y espesor uniforme.
2. Todos los tramos son paralelos a los ejes de coordenadas y forman un ángulo recto entre ellos.
3. La expansión térmica de un brazo de tubería es absorbida por el brazo perpendicular a este.
4. La cantidad de la expansión térmica que un brazo puede absorber es inversamente proporcional a
su rigidez. Como son brazos de sección transversal idéntica, sus rigideces varían de acuerdo al
inverso del cálculo de sus longitudes.
119
5. Durante su adaptación a la expansión térmica, los tramos de tuberías actúan como vigas Cantilever
guiadas, es decir, están sujetas a flexión por los desplazamientos de uno de sus extremos, pero sin
experimentar rotación en el codo que mantiene su ángulo recto.
6. Los tramos de tubería no tienen ramales, sin embargo, el efecto de un ramal se puede despreciar si
el diámetro es menor que la mitad del diámetro del colector (se deberá comprobar el ramal para
absorber los movimientos del colector).
De acuerdo con lo mencionado en los puntos 3 y 4, el brazo absorbe la siguiente proporción de expansión
térmica en la dirección de x (Ilustración 44).
∑ ∑
Este método no provee resultados precisos,
debido a que el codo es flexible y la tubería es
libre de rotar en algún porcentaje, esto
distribuye los momentos desarrollados en el
sistema. Sin embargo, en la mayoría de los
casos, los resultados son convencionales y en
muchos de los análisis es deseable una mayor
exactitud. Una forma de corregir esto, es usar
un factor de corrección que permita reducir el
momento flector debido a la rotación del brazo
adyacente perpendicular.
La máxima longitud de tubería
para la expansión perpendicular en su extremo
es:
√
El máximo desplazamiento longitudinal permisible para dicho tramo de tubería respecto a lo
mencionado en el punto 5.
Máximo esfuerzo flector para el tramo de tubería:
Ilustración 51 Deformación en tuberías.
120
Máximo desplazamiento se produce la siguiente fuerza cortante y momento flector en la
restricción.
6.6.1.4. Categoría IV.
En esta categoría se incluyen las líneas que necesitan únicamente un análisis visual como son:
Líneas que sustituyan a líneas existentes sin cambios significativos.
Líneas con arreglos iguales a otras existentes en la planta y con las mismas condiciones de
operación y diseño.
Líneas que por semejanza a estudios previos pueda desestimarse efectuar un nuevo
cálculo.
6.6.2. Análisis del sistema.
Al realizar un análisis de un sistema de tuberías se debe de considerar que es un trabajo que supone el
manejo de muchos conceptos y sobre todo de mucha información, por lo que para el desarrollo de este
trabajo se debe tener siempre en la cabeza los siguientes pasos para evitar la pérdida de información o
errores en el análisis de cada uno de los sistemas.
6.6.3. Factores a considerar en un problema de flexibilidad.
Según se hace mención en el código ASME B31.1. Todas las líneas deberían ser analizadas por esfuerzos
sin excepción. Los criterios y métodos de análisis a los sistemas son responsabilidad del ingeniero
especialista en el tema “Flexero”. Cualquiera de los métodos de análisis que se seleccione, deberá
garantizar la veracidad y certidumbre en los resultados de acuerdo con el grado de complejidad e
importancia del sistema.
El diseño desde el punto de vista estructural, deberá proveer suficiente flexibilidad a los sistemas de
tuberías, para garantizar que las expansiones y/o contracciones térmicas de la tubería y no produzcan
grandes esfuerzos o deformaciones cíclicas, que den lugar a fallas por fatiga en estos casos se puede
proveer de sistemas que eviten la fricción y por ende la fatiga de los materiales. Sin embargo, los
sistemas de tuberías se tienen que analizar de forma que su configuración tenga la capacidad de absorber
su expansión térmica, cuando esto no sea posible, se usaran loops de expansión o en casos más
extremos, juntas de expansión.
Algunas de las características más importantes y peculiares que se devén tomar en cuanta en el análisis
flexibilidad son:
Diámetro de la tubería: determinado por el flujo y las condiciones del fluido, así como el espesor de
pared por la presión, corrosión, golpe de ariete, temperatura y materia que se utilice.
121
El sobre esfuerzo: No ce mejora aumentando el espesor del tubo, sino por el contrario, ello implica
que el sistema se rigidice, haciendo más crítico el problema.
Codos y cambios de direcciones: Estos componentes de tubería presentan un comportamiento en
flexión diferente al de los tramos rectos, lo cual se refleja en un incremento de la flexibilidad, aun
cuando ello viene acompañado de un factor de intensificación de esfuerzos.
Los efectos térmicos: Que usualmente se consideran como efectos secundarios, son en general los
de mayor importancia, pues son los que en la mayoría de los casos gobiernan su diseño.
Efectos de flujo plástico (creep): Consiste en una cedencia local a temperaturas elevadas y una
redistribución, fuerzas internas y esfuerzos a temperaturas ordinarias.
Efectos de fatiga del material: Ocasionado por las condiciones cíclicas propias de operación de una
planta, son importantes y más cuando se presentan acompañadas de efectos de corrosión y altas
temperaturas.
La presión: Da lugar a comportamientos estructurales significativos especialmente cuando se
trabaja con diámetros de tuberías grandes.
6.6.4. Recopilación de información.
Se necesitan una serie de datos para realizar el análisis de flexibilidad como son:
Definición de sistemas a analizar: Selección de los sistemas a analizar, es decir que se tiene que
agrupar las líneas en sistemas mayores.
Asignación de categorías: Se realiza como se mostró anteriormente en el tema 6.7 Flexibilidad.
La morfología del sistema: Las líneas a estudiar se representan en planos isométricos, tendrán que
ser complementados con la información necesaria para el estudio.
Las condiciones de operación y diseño: Estas condiciones permiten una selección adecuada de
materiales, da los parámetros adecuados para el control de los procesos.
Colocación y especificación de restricciones: Estas restricciones se deben de tomar en cuanta en
los soportes que se estén utilizando en un proyecto. Considerando la disposición preliminar de las
restricciones mismas que será validada o no por los resultados del análisis.
Información de posibles puntos donde poder soportarse: el sistema deberá ser por sí mismo, auto
soportanbel y consistente con los requerimientos de flexibilidad, pudiendo requerir de sujeciones
adicionales para evitar movimiento y vibraciones en una amplia amplitud.
Las cargas admisibles en boquillas de equipos: las cargas admisibles no deben de superar los
valores considerados como admisibles por las normas o por el fabricante, si son excesivas deberá
probarse un cambio en las restricciones planteadas a la línea.
Los desplazamientos iníciales en determinados equipos: es necesaria la realización de informes de
desplazamiento para los casos de operación y diseño.
Los pesos de válvulas e instrumentos.
Normas con las que debe trabajar.
Se necesita de la siguiente información para poder obtener los datos anteriores
122
Bases de diseño. Diagramas de tuberías en instrumentación P&ID. Lista de líneas. Isométricos. Especificaciones del proyecto. Memorias de cálculo de equipos dinámicos y estáticos. Planos de equipos. Planos de estructuras.
Es importante que el especialista esté familiarizado con esta información desde el inicio del proyecto ya
que será de gran importancia en la realización del proyecto.
6.7. Soportes para tuberías.
6.7.1. Definición y clasificación general.
Son los dispositivos destinados a soportar los pesos y los demás esfuerzos ejercidos por las tuberías o
sobre las tuberías transmitiendo al suelo, a estructuras vecinas, a equipos o en algunos casos, a otras
tuberías (Ilustración 45)
6.7.2. Clasificación de Soportes típicos de instalación.
Ya que sabemos el trazado de la línea (tubería) así como su peso, de tal manera que el siguiente paso
será situarla dentro de la estructura de soporte que nos permitirá el proyecto, siendo que podremos pasar
por paredes, puentes, racks de tuberías, zanjas o cualquier otro punto de apoyo. Mismos que deberán ser
dimensionados o revisados para la carga que se adicione o se fije.
Ilustración 52 Clasificación de soportes.
123
Es importante situar primero los soportes y determinar el cálculo estático antes y el dinámico o de
dilatación después ya que de lo contrario correremos el riesgo de colocar puntos fijos o guías, en lugares
que luego resulta inviables, para el proyecto en caso de que sea nuevo.
Como el peso que esta evidentemente en función de la estructura, de los soportes dependerá en gran
medida de la posible agrupación de tuberías de diferentes servicios que recorren el mismo camino y de los
accesorios en línea, mismos que en ocasiones tiene una masa algo notable.
Los apoyos de tubería, se deben de
elaborar de acuerdo con las normas,
cuidando el diseño específico de soportes y
apoyos de tubería, es decir de acuerdo al
análisis de flexibilidad y teniendo que
verificar las cargas del mismo.
a. Medias cañas (Placas de desgaste)
La longitud de las medias cañas debe
considerar lo siguiente:
Una distancia libre de 100 mm. de cada lado del elemento estructural de apoyo.
De manera convencional la longitud estándar de la placa de carga será de acuerdo al elemento
estructural de apoyo como sigue:
o En estructuras cuya dimensión en la base de apoyo sea hasta 75mm la longitud de la placa
de carga será 200 mm.
o En estructuras cuya dimensión en la base de apoyo sea hasta 152 mm la longitud de la
placa será 500 mm.
Nota. Es importante aclarar que cuando la
tubería se apoye en trabes de concreto con
un ancho igual o mayor al de la placa de
carga., no será necesario agregar 100 mm.
Adicionales por cada lado debido a que
dichas trabes cuentan con un perfil
estructural embebido de (152 mm. Peralte)
que es donde descansa la tubería.
Se debe considerar la expansión térmica de la tubería para asegurar que la longitud estándar de
las placas de carga sea suficiente.
o Para una longitud de 250 mm, el desplazamiento máximo será de 100 mm
Ilustración 53 Soporte Media caña “elevación”
Ilustración 54 Soporte Media caña embebido “elevación”
124
o Para una longitud de 500 mm. el desplazamiento máximo será de 175 mm
b. Zapatas
Zapatas sin aislamiento se emplearán para apoyo de tuberías bajo las siguientes condiciones:
Tubería con aislamiento. Se emplearán Zapatas Soldables en tuberías con aislamiento de 2” de
diámetro y mayores solamente cuando sea necesario colocar de un paro direccional (ver anexo
soportes apartado 5DA).
A continuación se describen las consideraciones para la dimensión de estos soportes.
Longitud de Zapata.
La longitud de la zapata dependerá del ancho de la superficie o elemento estructural de apoyo más la
dimensión del paro direccional de acuerdo a lo indicado en los detalles típicos de soportería.
Altura (H).
La altura (H) de las Zapatas está
definida en base al espesor del
aislamiento (e) para lo cual esta
dimensión se debe tomar de acuerdo a
la Tabla altura de soportes.
Tuberías sin aislamiento. Las
tuberías sin aislamiento de 6” de
diámetro y mayores deben contar con
zapata con una altura “H” de 75 mm. y
una longitud estándar de 500 mm.
Tuberías de Desfogue. Para el
caso de las tuberías de desfogue, las
zapatas deben tener una altura variable, siendo ésta de 75 mm. como mínimo hasta 300 mm. como
máximo.
Esta dimensión será indicada en el isométrico de acuerdo con los requerimientos de la pendiente
de la línea. Así mismo, los cabezales principales de desfogue que se encuentren sobre racks,
deberán contar con placas deslizantes de teflón (ver anexo soportes apartado 5SPT) en todos sus
apoyos, exceptuando los puntos donde se encuentre localizado un paro direccional (ver anexo
soportes apartado 5DA).
Zapatas Pre-aisladas (ver anexo soportes apartado 5S5). Se emplearán de manera general para apoyo
de tuberías aisladas de 2” hasta 36” de diámetro. A continuación se describen las consideraciones para la
dimensión de estos soportes.
Longitud de Zapata (L).
En racks de concreto L = 500 mm (estándar)
En estructuras de acero L = 250 mm. (corta)
Ilustración 55 Soporte Media caña con aislamiento y anclaje
“elevación”
125
El ingeniero de Análisis de Esfuerzos debe asegurarse de que la longitud en cualquier caso, sea suficiente
para poder mantener a la zapata sobre el elemento estructural de apoyo en el evento de expansión termal
de la tubería.
Altura (H).
La altura (H) de las Zapatas está definida en base al espesor del aislamiento (e) de acuerdo a la Tabla 19.
Tabla 19 Altura de soportes
c. Soportes a base de muñones.
En general todos los soportes de muñón deben ser fabricados con tubo de la misma clase (especificación)
del material de la tubería a soportar y deberán ser modelados. Tomando en cuenta las siguientes
consideraciones:
Soportes de piso tipo (ver anexo soportes apartado 5BS y 5BSA). Estos soportes serán modelados
y reportados como tubo, y adicionalmente se reportaran los códigos (ver anexo soportes apartado
“5BS” ó “5BSA”) para estimar el material complementario del típico.
La selección del diámetro del muñón se hará en base la tabla indicada en el dibujo del detalle típico
correspondiente, sin embargo esto no es limitativo y se podrán emplear muñones de mayor
diámetro cuando el ingeniero de Flexibilidad así lo determine.
Para éstos soportes, cuando se apoyan en la losa de piso, el diseñador de tuberías debe modelar
un volumen para representar el “grout” de nivelación con un espesor de 25 a 50 mm.
En casos especiales se colocara un dado de concreto que por razones de altura o carga, y se indicará
como (ver anexo soportes apartado “5CP1 (REF.)”). Esto debe consultarse con el Ingeniero de análisis de
esfuerzos.
Ver punto soportes en tuberías de bombas para la consideración de muñones ajustables (ver
anexo soportes apartado 5BSA) en bombas.
126
d. Soportes en recipients.
Los soportes para tuberías bajantes de recipientes deben ser indicados como referencia en el isométrico a
la elevación requerida. La designación completa será dada por el ingeniero de Flexibilidad. Indicaciones
para el modelado de los soportes (ver anexo soportes apartado 5AR2 y 5GR2)
e. Soportes en tuberias de bombas
En las tuberías de succión y descarga de bombas, el primer soporte deberá localizarse antes de la boquilla
de la bomba, lo más cercano a ella y será del tipo ajustable de acuerdo al típico (ver anexo soportes
apartado 5BSA).
f. Guias
En general se deberán colocar guías para dar estabilidad a las tuberías, estas serán colocadas
considerando un espaciamiento de cada dos soportes (es decir en un soporte si y en otro no), sobre todo
en tramos rectos largos como en el caso de racks, adicionalmente se deberá tener la precaución de no
colocar guías cercanas a los cambios de dirección.
Las tuberías con zapatas pre-aisladas deben emplear las guías (ver anexo soportes apartado 5GR3)
g. Paros direccionales.
La colocación de paros direccionales (ver anexo soportes apartado 5DA) será definida principalmente por
el ingeniero de Stress “Flexibilidad”, especialmente en los siguientes casos:
Cuando la temperatura de operación sea mayor a 90°C en tuberías de 3” de diámetro y mayores
En tuberías de 10” de diámetro y mayores no importando la temperatura
Cuando la tubería no se encuentre en ninguno de los dos casos descritos anteriormente, el
diseñador deberá proponer la localización siguiendo las siguientes instrucciones:
o Aproximadamente al centro de un claro entre dos cambios de dirección
o Cuidar que las piernas ortogonales disponibles no sean demasiado cortas
o No colocar dos paros direccionales en un mismo segmento recto
h. Soportes para aislamiento térmico.
Las tuberías verticales con aislamiento térmico deben contar con soportes (ver anexo soportes apartado
5IS) para evitar el desplazamiento del aislamiento por peso propio. La colocación de estos soportes se
hará bajo las siguientes consideraciones:
La separación entre los soportes de aislamiento será de acuerdo a la siguiente tabla:
Tabla 20 Separación entre soportes.
Temperatura de Operación (°C)
Separación entre soportes (mts)
Hasta 200 9.0
201 – 206 4.5
127
261 – 370 3.6
Más de 370 1.8
Se consideran como soportes para aislamiento los siguientes elementos.
o Ramales de tubería
o Elementos de soportería soldado directamente a la tubería como son muñones, placa
protectora en guías para sobre recipientes, placas de soportes verticales con abrazaderas, etc.
Los soportes para líneas de 2” de diámetro y menores. El diseñador de tuberías es el responsable
de colocar toda la soportería necesaria para tuberías de 2” de diámetro y menores
i. Soporteria para trampas de vapor y estaciones de servicio.
En estos casos no es necesario considerar zapatas ni placas de carga. La tubería será colocada
directamente sobre el soporte estructural o de campo (ver anexo soportes apartado 5FS) colocando U-
bolts como se indica en el inciso siguiente.
Trampas de Vapor
L= 7000 mm (Max)
Lreq= 2500 mm (Max)
6.7.3. Consideraciones generales.
Ya que se conoce el trazado de la línea (tubería) así como su peso y el análisis de esfuerzo, el siguiente
paso será dimensionar y revisar las estructuras de soporte con los que se cuenta en el proyecto, siendo
que podemos pasar por algunos de los siguientes; paredes, puentes, racks de tuberías, zanjas o cualquier
otro punto de apoyo. Mismos que deberán ser dimensionados o revisados para la carga que se adicione o
se fije.
Es importante situar primero los soportes y determinar el cálculo estático antes y el dinámico o de
dilatación porque se corre con el riesgo de ubicar soportes en lugares que resultan inviables.
Por lo tanto las estructuras quedan en función de las cargas. Y dependerán también de las posibilidades
de agrupar cierto número de tuberías que recorren caminos similares. En la sección de anexos se
referencian algunos de los más utilizados de acuerdo a la descripción que se dio en este tema, así como
también se engloban algunas recomendaciones para su selección.
Requerimientos generales de la estructuración de racks de tuberías.
La estructura para el "rack" de tuberías, puede ser de acero laminado, o de hormigón, como lo se indique
en la especificación del proyecto; si se emplea estructura de acero, normalmente se ha de proceder a la
protección de esta, contra la acción del fuego; en este tipo de estructuras es muy usual que se utilice para
colocar soloaires colocando lo necesario (accesos y plataformas como se requiera) con el fin de tener el
espacio suficiente para mantenimiento de los equipos.
128
La distancia entre las tuberías situadas
sobre el "rack", deberá estar de
acuerdo con los "standards" o normas
del Cliente, es conveniente dejar un
espacio libre de tuberías, como reserva
para establecer futuras líneas; las
tuberías calientes deberán estar
instaladas en la parte externa del "rack"
de tuberías, para facilitar el que puedan
ser provistas de compensadores de
dilatación o "loops" en su trazado.
Al determinar las dimensiones de la
estructura del "rack" de tuberías, se
deben tener presentes las exigencias
de soportado de las tuberías de
instrumentación y de las bandejas de
cables eléctricos y de instrumentación.
Se dejara un espacio libre entre la parte
inferior de la estructura o del tubo más bajo, y el nivel de piso terminado NPT, no será inferior a 2,40 m. (8')
si se tuviera el caso que atraviesa una carretera, no será menor de 3,60 m. (12'); la distancia entre los
soportes del "pipe-rack", depende de:
Las condiciones de instalación de los equipos.
Las dimensiones de la planta.
Las derivaciones laterales deberán mantener una distancia entre sí, con el fin de evitar que al dilatarse el
colector sobre la estructura pueda haber interferencias entre ellas.
La distribución de las tuberías sobre la bandeja del "rack" se hará de forma tal, que puedan colocarse otras
tuberías en un futuro. (Ilustración 51). Últimamente se agrupan todas las tuberías de proceso, servicios y
desfogues por niveles dentro de los racks tanto principales como secundarios.
La apertura o cierre de las válvulas situadas sobre el "pipe-rack", la inspección de instrumentos, y el
mantenimiento de elementos mecánicos o eléctricos, puede hacer necesaria la presencia de plataformas
metálicas sobre la bandeja de tuberías, para una facilitar el mantenimiento; sus características son
reguladas por las especificaciones y requerimientos de áreas de mantenimiento y seguridad.
Ilustración 56. Soportes para trampas de vapor
129
Los racks para tuberías pueden ser de
dos diferentes tipos de materiales:
o Estructuras de concreto:
Para su diseño
I. Se deben de incluir las
acciones de cargas permanentes, variables y
accidentales que actúan sobre la estructura y
sus combinaciones, para determinar las
dimensiones de los elementos y evaluar su
resistencia.
II. Su ingeniería y diseño se
deben de desarrollar por el método de diseño
por resistencia, teniendo que revisar el manual
ACI 318-11:2011-Building Code Requirements
for Structural Concrete and Commentary
III. Las cargas por sismo y
viento deben de cumplir con lo establecido en
los manuales de obras civiles de sismo y
viento de la Comisión Federal de Electricidad.
IV. Estructurar el
procedimiento para revisar el dimensionamiento de la estructura.
V. Definir y evaluar los requisitos de servicio.
VI. Los requisitos de seguridad de estados límites de falla se deben de basar en el
manual ACI 318-11:2011.
o Para estructuras de acero:
Para su diseño.
I. El diseño de estas estructuras debe ser por Esfuerzos Admisibles (ASD), cumpliendo
también con los procedimientos y recomendaciones del manual AISC 325-11:2011
Su ingeniería y diseño se deben de desarrollar por el método de diseño por
resistencia, teniendo que revisar el manual ACI 318-11:2011.
II. Las cargas por sismo y viento deben de cumplir con lo establecido en los manuales
de obras civiles de sismo y viento de la Comisión Federal de Electricidad.
III. Estructurar el procedimiento para revisar el dimensionamiento de la estructura.
IV. Definir y evaluar los requisitos de servicio.
o Los arreglos de tubería no deben tener piernas muertas.
o Los racks deben de estar libres de obstrucciones, por debajo de la primera
cama de tuberías 3 mts para unidades de proceso y de 4 mts para corredores
de integración.
Ilustración 57 Estación de servicio “elevación”
130
o El último rack debe de colocarse 2 mts del límite de batería de la
correspondiente unidad.
o La separación longitudinal entre racks de tuberías en unidades de proceso y
servicios auxiliares debe ser de 4 a 6 mts y de 6 a 8 para racks de integración
o La separación entre columnas de racks debe ser entre 6, 8, 10 o 12 mts.
La altura mínima libre entre camas de tuberías debe de ser de 1.2 mts.
Ilustración 58 Distribución de tuberías en racks
Tipo Configuración Material N° de camas
Clasificación
S – Soporte C – Columna T – Te F – Columna de alerón
C – Concreto A – Acero
N SCC-N SCA-N STC-N STA-N SFC-N SFA-N
R – Rack
M – Marco A – Marco con Aleación C – Columna T – Te F – Columna con alerón
C – Concreto A – Acero
N
RMC-N RMA-N RAC-N RAA-N RCC-N RCA-N RTC-N RTA-N RFC-N RFA-N
RS – Rack Superficial C, T, M, A C – Concreto A – Acero
N RSCC-N RSCA-N
M – Mocheta S – Superficial C – Concreto N MSC-N
Tabla 21 Clasificación de soportes para tuberías.
LOS SOPORTES DE TUBERÍAS SE CLASIFICAN POR TIPO, CONFIGURACIÓN, MATERIAL Y NÚMERO DE CAMAS DE
ACUERDO CON LA SIGUIENTE CODIFICACIÓN Y TÍPICOS.
131
Descripción Instalaciones Terrestres
Instalaciones costa fuera
Altura mínima de soportes elevados, corredores de tubería dentro del límite de la planta.
3.00 m 2.20 m
Sobre plataformas y pasillos. 2.40 m 2.20 m
Interior de edificios (casa de compresores, casa de bombas, entre otros) o dentro de un grupo común de equipos.
2.40 m 2.10 m
Tabla 22 Altura mínima de soportes estructurales.
EN TODOS LOS CASOS SE DEBE PROVEER ESPACIO SUFICIENTE PARA REMOCIÓN Y/O ACCESO AL EQUIPO.
El espaciamiento o tramo entre “RACKS” se debe a la tubería más débil, las líneas de diámetro
pequeños pueden apuntalarse proveyéndolas con soportes intermedios sujetos a las tuberías
adyacentes más grandes, o por medio de la unión de ellas.
Los soportes de líneas de succión o descarga, deberán ser diseñadas con soportes propios e
independientes de otras líneas de tubería. Permitiendo el uso de apoyos fijos o soportes rígidos
que ofrezcan resistencia al movimiento así como cierta amortiguación. (caso de bombas,
compresores y equipos paquete)
Las tuberías podrán ser fijadas a recipientes verticales para minimizar los movimientos
independientes del recipiente, soportes y tuberías, por lo que las tuberías deberán ser trazadas lo
más cerca posible a los recipientes y soportadas muy cerca de la conexión.
Las tuberías que estén en estructuras deberán ser trazadas debajo de las plataformas y cerca de
los miembros estructurales principales, estas líneas se colocaran en puntos donde sea favorable
añadir cargas afines de evitar la necesidad de reforzar esos miembros.
Debe de asignarse suficiente espaciamiento para acceso fácil a las partes sujetadoras de aquellos
soportes que requieran mantenimiento o servicio.
Es necesario recopilar la siguiente información para el diseño de soportes, antes de proceder a los
cálculos y detalles de los soportes:
o Especificación del soporte, cuando sea disponible.
o Señalamiento completo de dibujos de tuberías “isométricos”.
o Señalamiento de estructuras PLG “Plano General de Localización”
o Especificación apropiada de tuberías “Diámetro, Material, Espesor, Temperatura y Presión
de operación”.
o En caso de que las líneas cuenten con aislamientos se debe de solicitar la especificación
del aislante.
o Válvulas y accesorios especiales, indicando sus características “Pesos, Dimensiones,
Características Generales”.
o Todas las conexiones de succión de equipos críticos como fondos de caldera, tambores de
vapor, conexiones de tuberías, etc.
132
La fijación de soportes colgantes o fijos involucra consideraciones generales propias de la tubería,
a la cual se transmite la carga y limitaciones de espacio. Los puntos más comunes para la fijación
de la tubería son:
o Los soportes se fijan sobre la tubería, y bajo cargas concentradas puntuales.
o Tramos que no requieren remoción frecuente por efecto de limpieza o mantenimiento.
o Tan cerca como sea posible de concentraciones grandes de carga, tales como: tramos
verticales, ramales de tubería, válvulas automaticas o pesadas, y recipientes menores.
o Sobre tramos rectos de tubería en lugar de codos de radios agudos, juntas angulares, o
ramales prefabricados, debido a que en estos sitios la tubería ya se encuentra sometida a
esfuerzos altamente localizados.
La localización de los soportes depende del tamaño de la tubería, configuración y requerimientos
del sistema, localización de válvulas, accesorios y de las estructuras disponibles para el soporte de
tuberías.
6.7.4. Espaciamiento de los soportes.
El espaciamiento de los soportes depende de las deflexiones aceptables entre soportes, del fluido en las
tuberías, y de la temperatura del servicio, la recomendación es que la deflexión aceptable entre soportes a
largo plazo, no deba de exceder 1”. El espaciamiento recomendado puede ser determinado por la
siguiente ecuación.
√
( )
Dónde: LS = distancia entre los soportes, in E = módulo a largo plazo para la temperatura de servicio, lb/in2 (Ver Tabla 11) l = momento de la inercia, in4 ys = deflexión entre los soportes, in Wp = peso de la tubería, lb/in Wf = peso del fluido en la tubería, lb/in Cada soporte en la tubería está cargado en ambos lados. Cuando los soportes en una línea están igualmente espaciados, la carga en los soportes será:
( )
Dónde: WR= Carga en los soportes, lb.
Cuando los soportes están en el principio o al final dela línea, estos solos están cargados de un lado,
entonces la carga en estos soportes será:
( )
Dónde: WE= carga en los soportes de los extremos, lb.
133
Los valores para el espaciamiento de los soportes están dados en la siguiente tabla misma que están
proporcionados en ft.
Tabla 23 Espaciamiento entre soportes.
Diámetro Temperatura en fº ft (mts)
(in) 73 100 120 140 160 180 200
6” 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05) 8 (2.44) 8 (2.44)
8” 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05) 8 (2.44) 8 (2.44)
10” 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05)
12” 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05) 10 (3.05)
14” 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 10 (3.66) 10 (3.05) 10 (3.05)
16” 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 10 (3.05) 10 (3.05)
18” 12 (3.66v 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66)
20” 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66)
24” 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66) 12 (3.66)
6.7.5. Donde instalar soportes.
Deben ser localizados preferentemente en:
a. En tramos rectos de tuberías, evitando hacerlo en accesorios tales como bridas, válvulas, filtros y
reducciones.
b. Próximos a cargas concentradas importantes, como válvulas, equipos, etc. verificando las
tensiones producidas en el mismo equipo por efecto de apoyo.
c. Las tuberías que corren paralelas a los recipientes deben estar sujetas al mismo para evitar
tensiones provenientes de dilataciones diferenciales entre las tuberías y el recipiente.
d. En curvas de expansión, liras, etc. debe existir un anclaje a cada lado. También en cada uno de los
puntos de salida de las áreas de proceso, para evitar la transmisión de esfuerzos en tuberías
externas a las internas del área y viceversa.
e. En tramos rectos de tuberías de pequeño diámetro se deben colocar guías cada 3 ó 4 soportes
para mantener el alineamiento y evitar vibraciones.
f. Tuberías vinculadas a juntas de expansión deben tener guías o dispositivos equivalentes para
evitar desplazamientos laterales si estos no son admitidos por la junta.
g. Por ningún motivo se deben colocar soportes en cordones de soldadura de la tubería.
h. Solo se permiten apoyos sobre rejilla y placa antiderrapante para tuberías de 2” y menores.
i. No se permite soportar tubería en barandales y escaleras o sobre el piso sin dado de concreto
6.8. Categorías de fabricación de tuberías.
6.8.1 Categorías de fabricación en “CAPMO”
FBA: Material soldable a tope (BW) para fabricación en campo por ejemplo líneas que van sobre
Racks. “Aceros inoxidables, Aceros al carbón, Aleacion buttweld”, (así como tubería y accesorios
soldables a tope en todos los diámetros que se fabriquen en campo).
FAA: Material para ensamblar en campo “inoxidable, galvanizado, aleación y aceros al carbón para
ensamblar en campo”, (válvulas bridadas, filtros bridados, tornillería, empaques, figuras 8, bridas
134
ciegas, placas espaciadoras, monitores, tapones macho y cachucha roscada, resortes, juntas de
expansión, mangueras flexibles, regaderas, toda la soportaría, instrumentos en línea).
FSA: Material roscado e inserto soldable en todos los materiales instalados en campo “acero
inoxidable, acero al carbón y aleación SW y roscados, a fabricar en campo”, (niples, TBE, TOE,
PBE, suajes roscados, bridas roscadas galvanizadas, tubería roscada galvanizada, coples
roscados, válvulas SW roscadas o Sw x Rosc. Filtros SW, no se incluyen tapones roscados, tubería
y accesorios inserto soldable de 2 ½” y menores que se fabriquen en campo).
FUA: Material para todos los sistemas enterrados tanto soldado como ensamblados “tubería,
válvulas de seccionamiento, accesorios de acero al carbón y hierro fundido, empaques,
espárragos, misceláneos para la instalación de camisas.
FJA: Todo el material que se instalara en ampo para líneas enchaquetadas (incluye Core & Jacket).
“válvulas, bridas, empaques, espárragos, en todos sus diámetros”.
FDA: Todo el material correspondiente a los TIE ins en Frio, cold taps – Válvulas raíz con brida
ciega, empaques y espárragos.
FHA: Todo el material correspondiente a los TIE en Caliente, hot taps – Válvulas raíz con brida
ciega, empaques y espárragos.
FMA: Categoría para Mark Piece en Mat Man.
6.8.2. Categorías de fabricación en “TALLER DE PREFABRICACIÓN”
SCA: Material en acero al carbono soldable a tope (BW) para fabricación en taller, tuberías y
accesorios soldables a tope de 3” y mayores. (niples, tapones, válvulas para venteos, drenajes e
instrumentos de 2”y menores que sean instaladas en sloops deberán enviarse con categoría de
fabricación “FSA” de tal manera que los sloops sean transportados solo con el accesorio de raíz
(Olet´s).
SGA: Todo el material que se prefabrica y se envía a tina de galvanizado.
SIA: Material en acero inoxidable soldable a tope para prefabricación en taller.
SJA: Todo el material que se prefabrica en taller para líneas enchaquetadas (incluye Core &
Jacket).
SLA: Material en aleación (1 1/41 CR, 2 1/4CR y 9CR) soldable a tope para prefabricación en taller,
para tuberías de aleación y con relevado de esfuerzos, en la prefabricación incluir soportes y
elementos a la tubería; muñones, soportes de extensión, silletas, medias cañas, y en general
cualquier elemento que vaya soldado a la tubería.
6.9. Normatividad aplicada en el diseño de tuberías.
En el análisis de flexibilidad los estándares, códigos y normas aplicables, son establecidos por el
propietario de la instalación según se considere cuales se ajustan a cada aplicación del proceso a
desarrollar. Este proceso se detalla en conjunto de dos áreas indispensables en el desarrollo de ingeniería
(Especialista en Tuberías y el Especialista de Ingeniería Básica “PROCESO”), este último se encarga del
desarrollo conceptual del proceso mismo que fija las bases de diseño.
135
La normatividad que avala cada trabajo de los ingenieros puede o no ser especifica. Las normas y códigos
internacionales más utilizados en los proyectos de plantas industriales y que son también de aplicación al
presente proyecto son los siguientes:
Publicadas por la American Society of Mechanical Endineers:
ASME B31.1 Power Piping.
ASME B31.3 Process Piping.
Publicadas por el American Petroleum Institute:
API 610 Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries
[6].
API 611 General Purpose Steam Turbines for Petroleum, Chemical and Gas Industry
Services [7].
API 617 Axial and Centrifugal Compressors and Expander-Compressors for
Petroleum, Chemical and Gas Industry Services [8].
API 618 Reciprocating Compressors for Petroleum, Chemical and Gas
Industry Services [9].
API 560 Fire Heaters for General Refinery Service [10].
API 650 Welded Steel Tanks for Oil Storage [11].
API 661 Air Cooled Heat Exchangers for General Refinery Service [12].
Publicada por la Expansion Joints Manufacturer Association:
EJMA Standards of the Expansion Joints Manufacturers Association [14].
Publicadas por PEMEX
NRF-035-PEMEX-2012 Sistemas de tubería en plantas industriales, instalación y
pruebas.
NRF-150-PEMEX-2011 Pruebas hidrostáticas de Tuberías y equipos.
NRF-137-PEMEX-2012 Diseño de estructuras de acero terrestres.
NRF-139-Pemex-2006-f Soportes de Concreto Para Tuberías.
136
Capitulo VII. Especificación y Diseño de Equipos “recipientes sujetos y no sujetos a presión”.
La meta del diseño y especificación de equipos y recipientes dentro de un sistema industrial, es desarrollar
y presentar una planta completa que pueda operar, cada unidad de equipo debe ser capaz de cumplir su
función necesaria. Por lo que el diseño de equipos es una parte esencial en el diseño de una planta.
El desarrollo del proceso implica la preparación de especificaciones de equipos debiendo estar incluidos
los métodos de fabricación. En este aspecto se debe tener plena importancia de la adecuada selección de
los materiales de construcción, datos de diseño desarrollados, dimensiones, condiciones de operación,
número y localización de las unidades, variaciones permisibles, entre otros. Cuando los datos no estén
disponibles en la literatura o cuando la experiencia pasada no da una base adecuada para el diseño, se
puede hacer uso de filtros a menos que se tenga información específica sobre los tipos de materiales y
condiciones involucradas. Por ejemplo los intercambiadores de calor, columnas de destilación, bombas y
muchos otros equipos convencionales se pueden diseñar sin necesidad de una gran cantidad de
información.
La siguiente tabla muestra el análisis de los factores más importantes en el diseño de los diferentes tipos
de equipo. En esta se muestran las variables que caracterizan al tamaño o capacidad del equipo y las
razones de escalamiento para estas variables, incluyendo la información sobre la necesidad de pruebas de
planta piloto, factores de seguridad y datos operacionales esenciales para el diseño.
Tabla 24 Factores de diseño de equipos importantes
Tipo de equipo. Necesario en PP.
Principales variables de operación
(diferentes al flujo).
Variables que caracterizan al
tamaño o capacidad.
Razón de escalamiento basadas en variables de
caracterización.
Factor aproximado de sobre diseño
(para seguridad %).
Cristalizadores “batch agitados”
Si Relaciones de solubilidad Temperatura
Flujo Área de transferencia de calor
>100:1 20
137
Reactores “batch”
Si Velocidad de reacción Estado de equilibrio
Volumen Tiempo de resistencia
>100:1 20
Bombas centrifugas
No Columna de descarga
Caudal de entrada de potencia Diámetro del impulsor
>100:1 10:1
10
Reactores continuos.
No Velocidad de reacción Estado de equilibrio
Razón de flujo Tiempo de residencia
>100:1 20
Torres de enfriamiento
No Humedad del aire Disminución de la temperatura
Caudal Volumen
>100:1 10:1
15
Ciclones No Tamaño de la partícula
Caudal Diámetro de la película
10:1 3:1
10
Evaporadores No Calor latente de vaporización Temperaturas
Caudal Área de transferencia de calor
>100:1 >100:1
15
Molinos de martillo
Si Reducción de tamaño
Flujo Entrada de potencia
60:1 60:1
20
Mezcladores Si Método de descarga
Flujo Entrada de potencia
>100:1 20:1
20
Columnas empacadas
No Datos de equipo Velocidad superficial del vapor
Caudal Diámetro Razón altura a diámetro
>100:1 10:1
15
Columnas de platos
No Datos de equilibrio Velocidad superficial del vapor
Caudal Diámetro
>100:1 10:1
15
Rehervidores No Temperaturas Viscosidades
Caudal Área de transferencia de calor
>100:1 >100:1
15
Centrifugas de sedimentación
No Métodos de descarga
Caudal Entrada de potencia
10:1 10:1
20 20
Sedimentadores
No Velocidad de sedimentación
Volumen Tiempo de residencia
>100:1 15
Columnas de asperción
No Caudal Entrada de potencia
Caudal Entrada de potencia
10:1 20
Condensadores por aspersión
No Calor latente de vaporización Temperatura
Caudal Relación de altura a diámetro
70:1 12:1
20
138
Intercambiadores de casco y tubos
No Temperatura Viscosidades Conductividad térmica
Caudal Área de transferencia de calor
>100:1 >100:1
15
7.1. Factores de Seguridad
Los factores de seguridad mostrados en la tabla anterior, representan la cantidad de sobre-diseño que
debería usarse para compensar cambios en la operación con el equipo. Cada unidad de equipo debería
diseñarse para llevar a cabo su función según sea necesario. Si existen incertidumbres, se pueden aplicar
los factores de seguridad de manera razonable, pero un incremento en los requerimientos de capacidad,
puede resultar en un sobre diseño, tal que el equipo o el proceso nunca llegaran a operar a valores
óptimos.
La magnitud de los factores de seguridad dictados por las consideraciones económicas o de mercado, la
exactitud de los cálculos de diseño, cambios potenciales en la operación, información disponible sobre el
proceso total y el grado de incertidumbre usado sobre el desarrollo de los componentes individuales del
diseño, todos estos factores de diseño son establecidos sobre las bases de las condiciones existentes.
7.2. Especificaciones
Una generalización para el diseño de equipos es que el equipo estándar debería ser seleccionado cada
vez que sea posible, se debe mantener un formato unificado “HD Hoja de daos” para la especificación de
los materiales y equipos. Con una caracterización de manera ordenada con la información esencial y de
los accesorios complementarios que le aplique dependiendo del equipo deseado.
La HD contiene básicamente: Material de construcción, normas, requisitos generales, requisitos eléctricos,
requisitos mecánicos, dimensiones, requisitos constructivos, acabado, de ser necesario la cantidad de
accesorios complementarios, tipo de embalaje, certificaciones, etc. Contiene Notas que especifican el
marco teórico de ciertas características de los materiales y/o equipos y que exponen aclaraciones,
condiciones, etc.
Cuadros de Especificaciones particulares para los materiales y/o equipos con iguales características pero
que difieren en ciertos detalles expuestos en los formatos en alusión, se debe de tener cuidado para evitar
restricciones innecesarias, el ingeniero podría permitir a los fabricantes hacer sugerencias antes de la
preparación de las especificaciones finales y detalladas, para tal caso el diseño final puede incluir
pequeños cambios que disminuyan los costos sin disminuir la eficiencia del equipo. (Ver anexo 2).
Algunos de los apartados principales para la especificación de los equipos, son: identificación, función,
139
operación, material manipulado, datos básicos de diseño, controles esenciales, requerimientos de
instrumentación, tolerancias permisibles, información especial y detalles pertinentes para equipo particular,
tales como materiales de construcción, tipo de embalaje, soporte, instalación, datos de distribución de
boquillas, y detalles especiales de diseño, por mencionar algunos de ellos.
7.3. Métodos cortos para la selección de equipos.
Existen métodos que aproximan el diseño a una perspectiva más real, en muchos de los casos es
necesaria una solución más rigurosa del problema, por lo que algunas respuestas aproximadas son
aceptables y pueden ser finales o muchas veces como punto de inicio para un análisis más detallado, tales
soluciones pueden basarse ya sea en la experiencia, o desarrolladas por analogía con soluciones
conocidas.
Se debe tener especial cuidado ya que los métodos cortos para selección de equipos solo son aplicables
para equipos arbitrarios, o en los cuales un diseño riguroso no es tan detallado y los especialistas de
diseño mecánico tienen reglas para la operación y diseño de métodos sujetos a varias calificaciones, la
mayoría de estas reglas son aplicadas de forma más certera cuando se tiene familiaridad con sus
aplicaciones.
Estas reglas son valiosas para elaborar diseños preliminares y estimación de costos, estas dan las
perspectivas y el funcionamiento por medio del cual se pueden valorar la racionalidad de los cálculos
detallados y asistidos por computadora.
7.3.1. Cristalización a partir de soluciones.
Recuperación completa de solidos disueltos, que es posible mediante la evaporación, pero
solamente a la composición eutéctica por enfriamiento. Este punto también limita la recuperación
por medio de la cristalización.
La razón de la concentración prevaleciente a la concentración de saturación es mantenida entre
1.02 y 1.05.
Bajo condiciones satisfactorias, las velocidades de crecimiento de los cristales son de 0.1 – 0.8
mm/h. las velocidades de crecimiento son aproximadamente las mismas en todas direcciones.
Las velocidades de crecimiento son grandemente influenciadas por impurezas y ciertos aditivos
específicos que varían en cada caso.
7.3.2. Intercambiadores de calor
Tomar el flujo en contracorriente en un intercambiador de casco y tubos como la base
comparación.
140
Los tubos estándar son de ¾ pulg, O.D. arreglo triangular con espaciamiento de 1 pulg, 16 ft de
longitud, un casco de 1 ft de diámetro acomoda 100 ft2, 2 ft de diámetro 450 ft2, 3 ft de diámetro
1100 ft2 aproximadamente.
El lado de los tubos es para fluidos corrosivos “sucios”, que forman incrustaciones y a presión.
El lado del casco es para fluidos viscosos y para condensación.
Las caídas de presión son 1.5 psi, para líquidos hirviendo y 3 – 9 psi para otros servicios.
La aproximación mínima de temperaturas es de 20 ºF, con enfriador normal y 10 ºF, o menos con
refrigerantes.
La temperatura de entrada del agua es de 90ºF y la temperatura máxima de salida es de 120ºF.
Para estimados usar los siguientes coeficientes de transferencia de calor BTU/h*ft2*ºF: agua a
liquido 150; condensadores 150; líquido a líquido 50; líquido a gas 5; gas a gas 5; ebullición 200;
para flujo máximo en re-hervidores usar 10000.
Los intercambiadores de doble tubo son competitivos para requerimientos de área de 100 – 200 ft2.
Los intercambiadores compactos (de placas o laminares) tienen 350 ft2 de área de transferencia/pie
de volumen y alrededor de 4 veces el área de transferencia por unidad de volumen que los
intercambiadores de casco y tubos.
Para enfriadores de aire: los tubos de 0.75 – 1.0 pulg O.D. total de superficie extendida es 15 – 20
ft2/ft2 de superficie tubular, el coeficiente total de transferencia de calor U = 80 – 100 BTU/h*ft2*ºF,
la potencia de entrada al ventilador es 2 – 5 hp/millón de BTU*h, la aproximación es de 50ºF o más.
Para calentadores a fuego directo, la velocidad de radiación es 12000 BTU/h*ft2, la velocidad de
convección 4000 BTU/h*ft2, la velocidad del combustible frio en el tubo es 6ft/s, la eficiencia
térmica, 70 – 75 %, la temperatura de los gases de salida 250 – 35 ºF, por encima de la
temperatura de entrada, la temperatura del gas de chimenea 650 – 950 ºF, aproximadamente igual
calor transferido ocurre en ambas secciones.
7.3.3. Mezclado y agitación.
La mayor cantidad de agitación es obtenida por circulación de líquido mediante un impulsor a
velocidades superficiales de 0.1 – 0.2 ft/s, y agitación intensa a 0.07 – 1.0 ft/s.
La identidad de la agitación usando impulsores en tanques con pantallas depende de la potencia
de entrada y su velocidad, como se muestra en la tabla siguiente.
Tabla 25 Requerimientos de potencia y velocidades de agitación en tanques con pantallas.
Operación Potencia necesaria hp/1000 gal Velocidad pies/min.
Mezclado 0.2 – 0.5 <7.5
Reacción homogénea 0.5 – 1.5 7.5 – 10
Reacción con transferencia de calor 1.5 – 5.0 10 – 15
Mezclado líquido – líquido 5 – 10 15 – 20
Mezclado líquido – gas 5 – 10 15 – 20
Lodos 10 >20
141
Las proporciones de un tanque agitado relativas al diámetro D, son: nivel de líquido = D, diámetro
de la tubería del impulsor = D/3, nivel del impulsor sobre el fondo = D/3, ancho de la paleta del
impulsor = D/15, cuatro pantallas verticales con un ancho = D/10.
Los impulsores tipo paleta tiene como máximo 18 pulg de diámetro, los de tipo turbina 9 pies.
Las burbujas de gas esparcidas desde el fondo, resultan en una agitación moderada a una
velocidad superficial del gas de 1 pie/min, y agitación severa a 4 pies/min.
7.3.4. Reactores
La velocidad de reacción en cada situación debe establecerse por pruebas de laboratorio, y el
tiempo de residencia o el tiempo espacial y la distribución de producto por pruebas de planta piloto.
Las partículas de catalizador son de 0.1 mm de diámetro en lechos fluidizados, 1 mm en lechos de
lodo y 2 – 5 mm en lechos fijos.
Las proporciones óptimas para de reactores tipo tanque agitado son, el nivel de líquido igual al
diámetro del tanque.
7.3.5. Recipientes (tambores)
Los tambores son relativamente pequeños recipientes para proporcionar una capacidad de
retención o para separación de faces mezcladas.
Los tambores para líquidos generalmente son horizontales.
Los separadores gas/líquido son verticales.
La relación optima de longitud/diámetro = 3, pero es común de 2.5 – 5.0.
El tiempo de retención máximo es de 5 min, para tanques de reflujo 5 – 10 min, para corrientes de
producto alimentadas a la torre.
En tanques de alimentación a hornos, el tiempo de retención es de 30 min.
Los recipientes acondicionados a los compresores deberán diseñarse para una capacidad no
menos a 10 veces el volumen del gas pasando por el compresor/min.
Los separadores líquido/líquido son diseñados para velocidades de 3 – 3 in/min.
Las velocidades del gas en separadores gas/líquido son dadas por:
(( * +
⁄
Dónde: V = velocidad en ft/s Ρ = densidad del líquido (L) y vapor (V) en lb/ft3 K = constante 0.35 sin malla de retención, 0.1 con malla
Se puede retener el 99% de las burbujas de líquido que van con el vapor usando mallas de
retención hasta 4 – 12 in de espesor, 6 in es la más común (coalescedor)
142
Para sistemas verticales de retención, el valor de k es reducido en dos tercios.
Es de esperarse una operación a velocidades de 30 – 100 % de aquellas calculadas con un valor
dado de k; 75% es la más recomendable.
El espacio para el desprendimiento de los gases o vapor es de 6 – 18 in por encima de la malla de
retención y 12 in por debajo.
7.3.6. Recipientes (a presión)
La presión de diseño es 10% o 10 – 25 psi sobre la presión de operación máxima, aun cuando esta
sea grande. De otra forma, la presión de operación máxima es tomada como 25 psi sobre la
presión de operación normal.
Tabla 26 Tensión máxima permisible para recipientes a presión.
TEMPERATURA (ºF)
-20 a 650 750 850 1000
Tensión máxima (PSI)
Acero corriente SA203 18 750 15 650 9 550 2 500
Acero inoxidable 302 18 750 18 750 1 590 6 250
La presión de diseño para recipientes operados a 0 – 10 psig y 600 – 100 ºF es 40 psig.
Para operaciones al vació, las presiones de diseño son 15 psig y vació total.
El mínimo espesor de la pared para rigidez es 0.25 in, para 24 in de diámetro y por debajo de 0.36
in, para 42 – 60 in de diámetro, 0.38 in para diámetros por sobre 60 in.
La tolerancia a la corrosión es de 0.35 in para condiciones corrosivas conocidas, 0.15 para
corrientes no corrosivas y 0.06 in para recipientes de vapor y receptores de aire.
La tensión de trabajo permisible es de un cuarto de la máxima tensión del material.
La tensión máxima depende de la temperatura y se muestra en la tabla anterior.
7.3.7. Recipientes (tanques de almacenamiento)
Para menos de 1000 gal se pueden utilizar tanques verticales sobres soportes “patas”.
Para 1000 – 10 000 gal se pueden utilizar tanques horizontales sobre concreto.
Pasando los 10 000 gal se pueden utilizar tanques verticales sobre concreto.
Para el almacenamiento de líquidos sujetos a pérdidas por volatilización, se pueden usar tanques
con tapa flotante o juntas de expansión.
El volumen libre es de 15% para menos de 500 gal y 10% para capacidades mayores.
7.3.8. Torres de enfriamiento
El agua en contacto con el aire bajo condiciones adiabáticas, eventualmente se enfría hasta la
temperatura de bulbo húmedo.
En unidades comerciales, es posible alcanzar 90% de saturación.
143
El tamaño relativo de la torre es sensible a la diferencia entre la temperatura de salida y la
temperatura de bulbo húmedo.
Diferencia de temperatura, ºF 5 15 25
Volumen relativo 24 1.0 0.55
La torre debe de tener una estructura abierta grande para minimizar la caída de presión, la cual,
típicamente tiene como máximo de 2 in de H2O la velocidad de circulación del agua es 1 – 4 gpm/ft2
y la velocidad del aire es 1300 – 1800 lb/h*ft2 o 300 – 400 ft/min.
Las torres de tiro inducido y en contracorriente son las más comunes en las industrias de procesos
químicos. Estas torres son habilitadas para enfriar agua a cerca de 2ºF de la temperatura del bulbo
húmedo.
Las pérdidas por evaporación son de 1% de la circulación por cada 10 ºF del rango de
enfriamiento.
7.3.9. Tuberías
Las velocidades y caídas de presión en las líneas de tubería, con diámetros de línea D, dado en
pulgadas; lado de la descarga de líquido bombeado, (5 + D/3) ft/s, 2 psi/100 ft; lado de la succión,
(1.3 + D/6) ft/s, 0.4 psi/100 ft; vapor o gas 20 D ft/s; 0.5 psi/100 ft.
Las válvulas de control requieren no menos de 10 psi de caída de presión para un buen
funcionamiento.
Las válvulas de globo son usadas para gases, para control de flujo y siempre que se requiera un
cierre hermético. Las válvulas de compuerta “gate” son para la mayoría de los demás servicios.
Las uniones roscadas son usadas solamente hasta diámetros de 1.5 pulgadas, de otra manera se
usan las uniones bridadas o soldadas.
Las bridas y uniones son para 150, 300, 600, 900, 1500 o 2000 psig.
El número de cedula de las tuberías es aproximadamente igual a 1000 p/s, donde P es la presión
interna, psig y S es la tensión de trabajo permisible (alrededor de 10 000 psi para acero al carbón
A120 a 500ºF). el número de cedula de tubería 40 es el más comúnmente usado.
7.4. Recipientes a Presión.
Se han desarrollado códigos (API y el ASME) para gobernar el diseño de tales recipientes. En la industria
existen numerosos tipos de diseño de procesos, por lo que es fundamental el almacenamiento para la
disposición de dichos fluidos cuando se requiera.
Muchos de los fluidos tienen características que resultan muy específicos, los cuales se deben tomar en
cuanta cuando se desea almacenar, por lo que cada fluido requiere de un recipiente calculado y
seleccionado con respecto a dichas características. Los recipientes de presión se utilizan en numerosas
aplicaciones en la industria y los servicios. Los mismos se utilizan para el transporte, producción,
144
manipulación, almacenamiento y procesos de transformación de líquidos y gases en todo tipo de industrias
y aplicaciones.
Algunos de los ejemplos de recipientes de presión y su usos más clásicos son: cámara de recompresión,
torres de destilación, autoclaves y numerosos usos como recipientes en la minería o refinerías de petróleo
y plantas petroquímicas, calderas de producción de vapor, recipientes para reactores nucleares,
reservorios para almacenar gases, reservorios hidráulicos a presión, y tanques de almacenamiento de
gases licuados como amoníaco, cloro, propano, butano y gas licuado del petróleo.
7.4.1. Necesidades del diseño.
El recipiente debe ser el más económico sin descuidar parámetros de calidad y eficiencia. Los materiales
que son seleccionados para la fabricación del recipiente estará bajo las condiciones que dictan el código
ASME (Sección VIII), con esto se pretende garantizar el buen funcionamiento del recipiente, considerando
una durabilidad adecuada disipando posibles accidentes. Previniendo fallas con un diseño y fabricación
adecuados basados en los códigos o normas de referencia que sean indicados en las especificaciones de
diseño de recipientes.
Los recipientes serán diseñados para la capacidad deseada por el cliente
7.4.2. Limitaciones del diseño de recipientes.
Las limitaciones o restricciones de los recipientes a presión. Por ejemplo los materiales de construcción
algunos de ellos tienen que ser importados de otros países, debido a las características o condiciones de
los procesos que se manejan.
La capacidad de almacenamiento de los recipientes a presión evita tener un solo diseño de línea, por lo
que cada uno de ellos tiene que ser diseñado y fabricado especialmente, algunas otras características son:
Presión interna o externa.
Limitaciones por parte de las normas.
Características específicas del diseño (partes especiales).
Análisis de esfuerzos (sismo y viento).
Condiciones específicas del fluido de proceso.
Forma del recipiente sujeto presión.
7.4.3. Tipos y formas.
Los recipientes a presión podrían tener casi cualquier forma, pero por lo general se utilizan formas
esféricas, cilindros, conos. La forma más común es un cilindro con extremos denominados cabezas (por lo
general suelen ser; casquetes hemiesféricos o toriesfericos.)
145
En el diseño teórico una esfera es la forma más óptima para un recipiente de presión, ya que un recipiente
con esta forma puede ser fabricad con espesores de pared mucho menores que con recipientes cilíndricos
de volumen equivalente. Desafortunadamente la forma esférica es muy difícil de producir o fabricar, por lo
que resulta más costosa, debido a esto los recipientes de presión son cilíndricos.
Ilustración 59 Clasificación de los recipientes a presión.
7.4.4. Control del diseño.
7.4.4.1. Entrada del diseño.
Los requerimientos del diseño relacionado con el producto, incluyendo requerimientos aplicables
mandatarios y regulatorios deben ser identificados, documentado y revisados con el proveedor, para su
construcción y diseño. Los requerimientos incompletos, ambiguos o conflictivos, deben ser resueltos con
los responsables de establecer las bases y requerimientos de diseño de equipos.
7.4.4.2. Salida de diseño.
Debe ser documentada y expresada en términos que pueda ser verificada y validada contra los
requerimientos de entrada de diseño. La salida de diseño debe ser:
Satisfacer los requerimientos de entrada de diseño.
Contener o hacer referencia a criterios de aceptación.
Identificar aquellas características del diseño que son cruciales en seguridad y funcionamiento.
Los documentos de salida de diseño deben ser revisados antes de su liberación: o Hojas de Datos. o Plano de arreglo general del equipo.
Recipientes sujetos a presión
Por sus uso
De almacenamiento
De proceso
Por su forma
Cilindricos
Horizontales Verticales
Esfericos
146
7.4.4.3. Revisión del diseño.
En el transcurso del diseño, se llevan a cabo revisiones de los documentos resultados de diseño, estos
deben ser planteados y conciliados. Los participantes deben incluir representantes de todas las disciplinas
relacionadas con la etapa de diseño (Proceso, Mecánico, Instrumentación, Tuberías, Civil). Así como otro
personal especialista cuando se requiera.
7.4.4.4. Cambios de diseño.
Todos los cambios y modificaciones de diseño deben ser identificados, documentados, revisados y
comprobados por el personal autorizado antes de su implementación.
7.5. Criterios de diseño en recipientes sujetos a presión.
En algunos de los casos las unidades de equipo de proceso tiene fallas en servicio por diversas razones.
Las consideraciones por tipo de falla que pueda presentarse es uno de los criterios que deben usarse en el
diseño de equipo. La falla puede ser el resultado de la deformación plástica excesiva o clásica o por
termofluéncia (creep). Como un resultado de tal deformación el equipo puede fallar al no realizar su
función específica sin llegar a la ruptura. Las fallas pueden clasificarse:
Deformación elástica excesiva
Inestabilidad elástica, inestabilidad plástica.
Ruptura por fragilidad, termofluéncia o corrosión.
7.5.1. La inestabilidad elástica
Es un fenómeno asociado con las estructuras que tiene limitada su rigidez y están sujetas a compresión,
flexión, torsión, o combinación de tales cargas. La forma de la estructura es alterada como resultado de
rigidez insuficiente.
7.5.2. La inestabilidad plástica
El criterio de mayor uso para el diseño de equipos es aquel que mantiene los esfuerzos inducidos dentro
de la región elástica del material de construcción con el fin de evitar la deformación plástica como
resultado de exceder el punto de cedencia.
7.5.3. Fragilidad
En los recipientes a presión los fluidos que producen cambios críticos en las propiedades físicas del
material durante el servicio; uno de estos es el hidrogeno el cual bajo la acción de elevada presión y/o
elevada temperatura produce dos efectos:
Difusión es el material produciendo una combinación en su forma molecular dentro del metal de
manera que al estar el recipiente sometida a elevadas presiones la superficie se combina o se
produce ampollas.
147
Perdida de carbono, este ataque es ocasionado por la formación de metano resultando en la
creación de fisuras con la consecuente pérdida de resistencia y dureza, con lo que se aumenta la
ductilidad del metal, presentándose una falla por fragilidad.
Esto es más frecuente en aceros con mayor nivel de resistencia, lo mismo que con la presencia de
boquillas u otras fuentes de concentración de esfuerzos.
7.5.4. Termofluéncia
Nos indica que a temperaturas elevadas la deformación inelástica (será mayor) en el material en función
del tiempo es definido como “CREEP”. El cromo, molibdeno y níquel son los elementos adecuados de
aleación para servicios de alta temperatura.
7.5.5. Fatiga
La falla por fatiga se presenta por la aparición repentina de pequeñas cargas, las cuales por si mismas son
incapaces de producir deformación plástica que pueda detectarse con el tiempo, estas cargas hacen que
se habrán una grieta y que se propague a través de la pieza; ocurre en la intensificación de los esfuerzos y
por último, resulta una fractura frágil y repentina. Los metales ferrosos y sus aleaciones tienen un valor
límite de esfuerzos repentinos, los cuales pueden aplicarse e invertirse para un gran número no definido
de ciclos sin que se causen fallas. Este esfuerzo se llama límite de fatiga.
7.5.6. Esfuerzo admisible
El porcentaje de resistencia a la cedencia usado como esfuerzo admisible es controlado por un numero de
factores tales como la exactitud con la cual las cargas pueden ser estimadas, la confiabilidad de los
esfuerzos calculados para esas cargas, la uniformidad del material, el peligro si la falla ocurre y otras
consideraciones como concentración de esfuerzos, impacto, fatiga y corrosión.
7.5.7. Diseño de Recipientes (Memoria de Cálculo Recipiente ASME)
7.5.7.1. Determinación del tamaño óptimo del recipiente.
Para la construcción de un recipiente de una cierta capacidad con el mínimo material, la longitud del
diámetro en relación con la longitud horizontal del mismo, se recurre al diseño óptimo del recipiente, para
encontrar el diámetro óptimo del recipiente se sigue el siguiente proceso:
Primero procedemos a calcular el valor de F:
Dónde: P = presión de diseño (PSI) C = Corrosión máxima permitida (in) S = Valor del esfuerzo del material (PSI) E = Eficiencia de soldadura.
148
La presión es La corrosión permitida es C = 1/16” Ver anexo 8 A para eficiencia de soldaduras de valores de “E”. Ver anexo 8 B para esfuerzos del material “S”
Grafico 20 Para determinar el valor del diámetro óptimo.
Con el valor de F y el volumen dado del recipiente se entra en la gráfica siguiente para determinar el
diseño óptimo del recipiente. De esta grafica se determina el valor del diámetro conforme el valor
encontrado de “F” y el volumen dado del recipiente para poder obtener el diámetro adecuado.
Con el diámetro obtenido de la gráfica anterior se procede a calcular el valor de la longitud del recipiente.
Dónde: L = longitud del recipiente (ft) V = Volumen del recipiente (ft3) D = Diámetro óptimo (ft)
11.5.7.2. Calculo del casco del recipiente.
En la industria, los recipientes se diseñan para funcionar con seguridad a una presión y temperatura
específica, un recipiente que se diseñó inadecuadamente para manejar una alta presión constituye un
peligro de seguridad, debido a esto, el diseño y la certificación de los recipientes a presión están regidos
por códigos de diseño tales como el código de calderas y tanques presión ASME, la industria estándar
japonesa (JIS), el CSA B51 en Canadá y otros estándares internacionales, por mencionar algunos.
149
Ilustración 60 Espesor del cuerpo cilíndrico
Para estos cálculos se necesita de la siguiente información.
Material del cuerpo
Presión de operación
Presión de diseño
Temperatura de operación
Temperatura de diseño
Esfuerzo de trabajo
Eficiencia de soldadura
Diámetro interior
Corrosión permisible
Espesor mínimo requerido excluyendo
corrosión.
Espesor especificado en cuerpo
El espesor del cuerpo se puede y se debe de calcular con eficiencias de soldadura iguales a 0.7, 0.85 y
1.0. Para el cilindro o cuerpo tenemos las siguientes ecuaciones en caso del cálculo del espesor y de la
presión, tomando en cuenta el diámetro interno y externo.
[ ]
[ ]
Ilustración 61 En función del diámetro Interior
PRESIÓN DE OPERACIÓN (Po)
Es identificada como la presión de trabajo y es la
presión manométrica a la cual estará sometido un
equipo en condiciones de operación normal.
PRESIÓN DE DISEÑO (P)
Es el valor que debe utilizarse en las ecuaciones
para el cálculo de las partes constitutivas de los
recipientes sometidos a presión, dicho valor será
el siguiente:
Si Po > 300 lb/pulg2. Si Po ≤ 300 lb/pulg2.
P = 1.1. Po. P = Po + 30 lb/pulg2.
Donde P es la presión de diseño, y Po es la
presión de operación.
150
[ ]
[ ]
Ilustración 62 En función del diámetro exterior.
PRESIÓN DE PRUEBA (Pp)
Se entenderá por presión hidrostática de prueba y
se cuantificará por medio de la siguiente ecuación:
Pp = P (1.5) Sta/Std
Dónde:
P = Presión de diseño.
Sta = Esfuerzo a la tensión del material a la
temperatura ambiente.
Std = Esfuerzo a la tensión del material a la
temperatura de diseño.
Dónde:
P = presión de diseño (psig) R= Diámetro Interno (in) R0 = Diámetro Exterior (in) S = Esfuerzo máximo a tención del material. E = eficiencia de soldaduras t = espesor mínimo requerido (mm)
En ocasiones en necesario agregar un exceso para aliviar la corrosión. Por lo que la ecuación quedara de
la siguiente forma para cualquiera de los ejemplos anteriores.
[ ]
Por lo que el Diámetro exterior seria:
[ ]
Exceso
[ ]
Calculo de la máxima presión hidrostática corregida por temperatura (P.H.C.)
[ ]
Dónde: P.H.C. = presión hidrostática corregida (psig) SATM = Esfuerzo a temperatura Atmosférica (psi)
En el siguiente gráfico, son de utilidad para calcular los espesores requeridos en el cuerpo de un
cilindro para soportar vacío total.
151
Grafico 21 Procedimiento para determinar “t” de la coraza cilíndrica (Esfuerzo de cedencia especificado: 30,000 a
38,000 lb/in2, inclusive)
Para hallar el espesor del casco requerido:
1.-Localice el valor de L en la gráfica superior.
2.- Siga horizontalmente hasta la curva que representa Do.
3.- Siga verticalmente a la línea de temperatura (en la gráfica siguiente).
4.- Siga horizontalmente y lea la relación Do/t
152
5.- Localice el valor de Do/t en la gráfica de abajo.
5.- Siga horizontalmente hasta la curva de D
6.- Siga verticalmente hacia abajo y lea el valor de t
153
Nota: t = espesor requerido del casco. En in Do = Diámetro exterior del casco. En in L = longitud del recipiente o sección del recipiente tomada entre la mayor de las siguientes.
Distancia del centro del primer anillo atiesador a la línea de tangencia de la cabeza más un tercio de la profundidad de la cabeza, en in.
Distancia máxima entre los anillos atiesadores adyacentes cualesquiera, en in. Distancia entre las líneas de tangencia de los cabezales más un tercio de la profundidad de las
cabezas si no se emplean anillos de atiesamiento, en in.
Para el caso de presión externa (vacío total)
Los parámetros usados en el cálculo de espesores en recipientes sometidos a presión externa son los
siguientes:
Grafico 22 UGO-28 (código ASME) grafica geométrica de recipientes cilíndricos sujetos a presión externa o
compresivas.
A = Factor determinado por medio de la gráfica siguiente
As = Área de la reacción transversal del anillo atiesador en pulgadas2.
B = Factor determinado con las gráficas anteriores cuyo valor depende del material utilizado y de la
temperatura de diseño.
154
Grafico 23 UCS-28.2 (código ASME). para obtener el factor B
Los valores de esta grafica son aplicables cuando el recipiente es fabricado con acero al carbón y la
resistencia a la fluencia especificada es de 30,000 PSI o mayor, en esta categoría pertenecen los
siguientes materiales:
Grafico 24 UCS-28.1 (código ASME). para obtener el factor B
SA-283 C, SA-285 C, SA-515, SA-516, SA-53-B, SA-106-B.para todos los grados. Tipo 405 y 410 aceros
inoxidables.
155
En los casos en que el valor del factos “A” se encuentre en la extrema derecha de la línea de temperatura
se tendrá que suponer una intersección prolongando horizontalmente el extremo superior de la línea de
temperatura.
Solo aplica cuando se trabaja con acero austentico (18Cr- (Ni; tipo-304)
Grafico 25 UHA-28.2 (código ASME). Para obtener el factor B
Para envolvente cilíndrico y esférico sujetos a presión construidos con acero austenitico (TIPO 316, 321,
347, 309 “1100°F solamente”, 310 y acero inoxidable 430B “700°F solamente”).
Grafico 26 UHA-28.3 (código ASME) para obtener el factor B
156
Para materiales tipo acero austenitico (18Cr, 8Ni, 0.03 máximo de carbono. TIPO 304L)
Grafico 27 UHA-28.4 (código ASME) para obtener el factor B
Para recipientes cilíndricos y esféricos, construidos con material austenitico (18Cr, 8Ni, 0.03 máximo de
carbono. TIPO 316L y 317L).
Do = Diámetro exterior del cilindro en pulgadas.
E = Módulo de elasticidad del material.
Is’ = Momento de inercia requerido en el anillo atiesador combinado con la sección del cilindro tomada
para incrementar el momento de inercia. En pulgadas4. (El ancho de la sección del cilindro estará
determinado por la forma del anillo a
usar según TABLA 27. ANILLOS
ATIESADORES).
Is = Momento de inercia requerido en
el anillo atiesador respecto a su eje
neutro paralelo al eje del cilindro, en
pulgadas4.
L = Longitud de una de las secciones
del recipiente tomada como la mayor
de las siguientes:
La distancia entre las líneas
de tangencia de las tapas más un
tercio de las flechas de las mismas,
si no se usan anillos atiesadores.
La mayor distancia entre dos anillos atiesadores adyacentes.
Ilustración 63 Para determinar la distancia “L” Recipientes con anillos
atiesadores.
157
La distancia entre la línea de centro del primer anillo atiesador.
La distancia del primer anillo atiesador en el cilindro a la unión cono cilindro.
P = Presión exterior de diseño, en lb/pulg2. Pa = Valor calculado de la máxima presión exterior permisible para el supuesto valor de t, en lb/pulg2. Ro = Radio exterior de la tapa esférica = 0.9 Do para tapas elípticas = radio de abombado para tapas toriesféricas.
El procedimiento para verificar el espesor del cilindro de un recipiente a presión externa es el siguiente:
Suponemos un valor de “t” y calculamos las relaciones L/Do y Do/t.
Con el valor de L/Do entramos a la gráfica mostrada en el (GRAFICO UGO-28), si L/Do es mayor
que 50, entramos con este valor. Así mismo, si L/Do es menor que 0.5, usaremos este valor para
entrar a la gráfica.
A la altura del valor L/Do, nos movemos horizontalmente hacia la derecha hasta encontrar la línea
representativa del valor Do/t, de esta intersección, nos moveremos verticalmente hacia abajo y
determinaremos el valor del factor “A”.
Entramos en la gráfica aplicable en las gráficas anteriores, para el material utilizado con el valor del
factor “A”. Hasta la línea representativa de la temperatura de diseño, desde esta intersección nos
movemos horizontalmente hacia la derecha y leemos el valor de “B”.
Con el valor de “B”, calculamos la máxima presión exterior de trabajo permitida por medio de la
ecuación:
( ⁄ )
Si el valor de “A” estuviera a la izquierda de la línea de temperatura indicada en el punto No. 4, el
valor de la máxima presión exterior de trabajo permisible será calculada por medio de la ecuación:
( ⁄ )
11.5.7.3. Calculo de las tapas del recipiente.
De pendiendo del tipo de tapas a utilizarse en el diseño del recipiente se ocupara cualquiera de las
ecuaciones siguientes según sea el caso.
Tapas planas
√
√(
*
158
Estas dos ecuaciones solo para:
Tapa ciega Circular Fabricada con algún material de la lista ANSI B-16.5 Rangos de P y T mostrados en la ANSI B-16.5 Deberá agregarse corrosión, ya que el t se considera como mínimo La ecuación 15 para bridas ciegas atornilladas ver detalles “E “y “F”
Para las condiciones de operación, el valor de “P” será dado por la presión de diseño, el valor de “S” se
tomará a la temperatura de diseño y el valor de “W” será el que resulte mayor de:
Para condiciones de sello de empaque se tomará P=0, el valor de “S” a la temperatura ambiente y “W”
será:
Dónde: Ab = Área transversal neta de los tornillos en Pulg2 (mm2.).
Am = Área transversal requerida de los tornillos tomada como la que resulte mayor de Am1 y Am2 en
Pulg.2 (mm2.).
Am1 = Área transversal neta requerida de los tornillos en condiciones de operaciones en Pulg.2 (mm2.) =
Wm1 / Sb
Am2 = Área neta de los tornillos = Wm2 / Sa
b = Ancho efectivo de contacto del empaque. (ver anexo 8C)
bo = Ancho básico del empaque. (ver anexo 8C)
C’ = Constante adimensional que depende de la forma de unión entre la tapa y el cilindro. (ver Anexo 8D)
d = Diámetro medido como se indica en anexo 8D
E = Eficiencia de soldaduras. (ver anexo 8A)
G = Diámetro donde se localiza la reacción del empaque en pulgadas (mm.). (ver Anexo 8F)
hg = Brazo de palanca, distancia radial de la línea de centros de barrenos a la línea de reacción del
empaque, en pulgadas (mm.).
m = Relación tr/ts adimensional.
P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (KPa).
S = Esfuerzo máximo permisible del material de la tapa a tensión y a la temperatura de diseño, en
lb/pulg.2 (KPa).
tr = Espesor requerido en el cuerpo.
ts = Espesor real del cuerpo.
Sa = Esfuerzo máximo permisible del material de los tornillos, a temperatura ambiente en lb/pulg.2 (MPa).
Sb = Esfuerzo máximo permisible del material de los tornillos, a la temperatura de diseño, en lb/pulg.2
(Mpa).
t = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin considerar corrosión, en pulgadas (mm.).
W = Carga total de los tornillos, en libras. (N).
159
y = Carga máxima permisible en el empaque o en la superficie de sello, en lb/pulg.2 (Mpa), su valor
depende de la forma y material del empaque. (ver Anexo 8F)
Ilustración 64 Detalle de uniones en tapas planas
Agregar figuras 1 5 y 6 Como anexos. Tapas toriesfericas
Dónde: P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (KPa) L = Radio de abombado en pulgadas. (mm.). M = Factor adimensional que depende de la relación L/r. (ver tabla) r = Radio de esquina o radio de nudillos, en pulgadas. (mm.). S = Esfuerzo máximo permisible del material de la tapa a tensión y a la temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (Kpa). t = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin corrosión, en pulgadas.(mm). E = Eficiencia de las soldaduras. (ver anexo 8A)
Factor adimensional L/r
L/r 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00
M 1.00 1.03 1.06 1.08 1.10 1.13 1.15 1.17 1.18
L/r 3.25 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00
M 1.20 1.22 1.25 1.28 1.31 1.34 1.36 1.39 1.41
L/r 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.0 10.5 11.0 11.5
M 1.44 1.46 1.48 1.50 1.52 1.54 1.56 1.58 1.60
L/r 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 16.66
M 1.62 1.65 1.69 1.72 1.75 1.77
Tapas Semilípticas 2:1
Dónde: D = Diámetro interior de la tapa, en pulgadas, (mm). E = Eficiencia de las soldaduras. (ver anexo 8A) P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (kpa)
160
S = Esfuerzo máximo permisible del material de la tapa, a tensión y a la temperatura de diseño en lb/pulg.2 (KPa). t = Espesor mínimo requerido en la tapa sin corrosión, en pulgadas (mm) Tapas Semiesféricas
Dónde: E = Eficiencia de soldaduras.(ver anexo 8A) P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (KPa). R = Radio interior de la tapa semiesférica, en pulgadas. (mm.). S = Esfuerzo máximo permisible, del material de la tapa, a tensión y a la temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (Kpa). T = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin corrosión, en pulgadas. (mm.). Tapas 80:10
Dónde: E = Eficiencia de las soldaduras. (ver anexo 8A). L = Diámetro interior de la tapa (0.8) en pulgadas. (mm.). P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (Kpa). S = Esfuerzo máximo permisible, del material de la tapa, a tensión y a la temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (Kpa). t = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin corrosión, en pulgadas. (mm.). Tapas Cónicas
Dónde: D = Diámetro interior mayor, del cono, en pulgadas (mm.). E = Eficiencia de las soldaduras.(ver figura No.1) P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (KPa). S = Esfuerzo máximo permisible, del material de la tapa, a tensión y a la temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (KPa). t = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin corrosión, en pulgadas (mm.) Tapas toricónicas
Dónde: D1 = Diámetro interior medido perpendicularmente al eje de la tapa y a la altura donde termina la parte cónica y se inicia el radio de nudillos o radio de esquina.
161
11.5.7.4. Calculo de elementos pertenecientes a los recipientes.
Calculo de anillos atiesadores
El cálculo de los anillos atiesadores se desarrolla mediante el siguiente procedimiento.
Selección de tipo de anillos atiesadores más económico de acuerdo con los mostrados en la tabla
27:
Ilustración 65 Detalle para anillos atiesadores
A = área de la sección transversal del anillo más
área efectiva del cuerpo en (in2)
I = Movimiento de inercia, (in4)
K = constante
Q = Carga sobre una silleta en libras
R = radio en el cuerpo de (in)
S6 = Máximos esfuerzos combinados (lb/in2)
ϴ = Angulo de contacto en grados
Tabla 27 Anillos atiesadores para recipientes horizontales
Tipo de anillos Máximos esfuerzos Ecuaciones Max. Esfuerzo
Permisible
Anillo interior
gobierna
compresión en el
cuerpo
⁄
En la tención el
valor del esfuerzo
permisible del
material del cuerpo
o del anillo
atiesador, el que
resulte menor.
En compresión 0.5
veces el punto de
cedencia del
material del cuerpo
o del anillo
atiesador, el que
resulte menor.
Anillo exterior
esfuerzo en el
cuerpo
⁄
Anillo exterior
esfuerzo en la
punta del anillo
⁄
Anillo interior
gobierna
compresión en el
cuerpo
⁄
Anillo exterior
esfuerzo en el
cuerpo
⁄
162
Anillo interior
esfuerzo en la
punta del anillo
⁄
Anillo interior
esfuerzo en la
punta del anillo
⁄
Anillo exterior
gobierna
compresión en el
cuerpo
⁄
Anillo interior
esfuerzo en el
cuerpo
⁄
Anillo interior
esfuerzo en la
punta del anillo
⁄
Suponemos un numero X de anillos distribuidos uniformemente entre la sección de las líneas de
tangencia más un tercio de la flecha de cada tapa y determine el valor de L.
Calculamos el momento de inercia del anillo propuesto (Is´) combinado la sección del cuerpo
mostrada en la tabla 23, o sin incluir la sección del cuerpo (Is).
El momento de inercia requerido en el anillo atiesador no deberá ser menor que el determinado por
una de las siguientes ecuaciones:
(
)
( )
Donde “As” es el área transversal del anillo propuesto.
El valor de “A” deberá ser calculado por el siguiente procedimiento:
Calcule el factor “B” usando la siguiente ecuación:
*
+
Entre en la gráfica que corresponda al tipo de material utilizado en las figuras 49 a la 52 con el
valor de “B” y muévase horizontalmente hasta la curva representativa de la temperatura de diseño.
Desde esta intersección muévase verticalmente hasta la curva de “A”.
Cuando el valor de “B” resulte menor a 2500, “A” debe calcularse por la ecuación:
163
Calcule el momento de inercia requerido con las ecuaciones anteriores mostradas. Si el momento
de inercia del anillo, o la combinación del anillo con la sección del cuerpo son mayores que el
requerido, el atiezamiento del cuerpo es adecuado, debemos proponer un anillo atiesador con un
momento de inercia mayor, o debemos incrementar el número de anillos para lograr disminuir el
valor de L.
Se presentan las secuencias de cálculos para anillos atiesadores como se muestra en las siguientes series
de cálculos:
Calculo de anillo tipo silleta:
Ilustración 66 Momento de inercia (I), todas las
dimensiones de la imagen están en pulgadas.
d1 = Espesor del cuerpo en (in)
Q = Carga en una silleta en (lb)
R = Radio exterior del cuerpo en (in)
Ɵ = Angulo de contacto en (º)
El cálculo del momento de inercia es el
siguiente:
√
Posteriormente calculamos los momentos de inercia (Ig) para las áreas 1, 2 y 3.
Área 1
Área 2
Área 3
Procedemos a complementar la tabla 28, extrayendo los datos de la figura 59 y realizando el cálculo
simplificado que se muestra en la parte superior de la tabla.
Tabla 28 Cálculos para obtener los refuerzos en anillos atiesadores.
Área (a) Y a*Y h h2 ah2
1
2
3
Total A = AY = AH2 = Ig=
Procede a realizar el cálculo de los esfuerzos en los anillos atiesadores S6
164
Para el llenado de esta tabla se realizara como sigue.
Determinar el ancho de la franja del cuerpo que nos ayudara a soportar el momento flexionante por
medio de las ecuaciones de la Tabla 28
Seleccionamos un perfil y determinamos las áreas (a), y obtener el total “A”.
Obtenga las distancias Y, enseguida multiplique (a*Y).
Determinar la distancia del eje neutro del anillo atiesador a la parte exterior del recipiente
Determine las distancias (h), del eje neutro de la sección del anillo atiesador al centro de gravedad
de cada uno de los rectángulos que componen la sección tomada como anillo atiesador.
Multiplique el cuadrado de las distancias (h2) por las áreas y sume los resultados, a esta suma la
llamaremos AH2.
Calcule el momento de inercia Ig de cada rectángulo Ig = bd3/12, donde b es el ancho y del largo
de cada rectángulo.
La suma de AH2 y Ig nos dará el momento de inercia del anillo atiesador y el área efectiva del
cuerpo.
Posteriormente procedemos al cálculo de las ecuaciones correspondientes de acuerdo con TABLA 27
Para las constantes de K9 y K10 se debe tomar en consideración la siguiente tabla.
Tabla 29 Constantes para K9 y K10
Angulo de contacto 120° 130° 140° 150° 160° 170° 180°
K9 0.34 0.33 0.32 0.30 0.29 0.27 0.25
K10 0.053 0.045 0.037 0.032 0.026 0.022 0.017
Calculo de anillo tipo doble atiesador:
Ilustración 67 Momento de inercia (I), todas las
dimensiones de la imagen están en pulgadas.
d1 = Espesor del cuerpo en (in)
Q = Carga en una silleta en (lb)
R = Radio exterior del cuerpo en (in)
Ɵ = Angulo de contacto en (º)
El cálculo del momento de inercia es el siguiente:
√
Para este tipo de anillo se realiza el cálculo de las áreas 1 y 2 como se hace mención a la secuencia
anterior así como la tabla donde se procede a realizar el cálculo de las áreas y esfuerzos
correspondientes. Respetando el cálculo de acuerdo con la TABLA 27. ANILLOS ATIESADORES.
165
Para las constantes de K9 y K10 se debe tomar en consideración la siguiente tabla 28.
Calculo de anillo atiesador sencillo sin silleta:
Ilustración 68 Momento de inercia (I), todas las
dimensiones de la imagen están en pulgadas.
d1 = Espesor del cuerpo en (in)
Q = Carga en una silleta en (lb)
R = Radio exterior del cuerpo en (in)
Ɵ = Angulo de contacto en (º)
El cálculo del momento de inercia es el
siguiente:
√
Para este tipo de anillo se realiza el cálculo de las áreas 1 y 2 como se hace mención a la primera
secuencia de cálculos así como la tabla donde se procede a realizar el cálculo de las áreas y esfuerzos
correspondientes. Respetando el cálculo de acuerdo con la TABLA 27. ANILLOS ATIESADORES.
Tabla constante de K9 y K10 se debe tomar en consideración la tabla 28. En caso de que la máxima
presión de trabajo permisible Pa calculada sea menor que la presión de diseño, deberá repetirse el
procedimiento usando un valor de “t” mayor que el supuesto originalmente.
Calculo de soportes para recipientes cilíndricos horizontales
Un recipiente soportado por silletas se comporta como una viga simplemente apoyada, las condiciones de
carga son diferentes cuando consideramos el recipiente total o parcialmente lleno, los esfuerzos en el
recipiente son función del ángulo de agarre de las silletas, tomaremos las cargas por peso del equipo en
combinación con otras cargas.
Para realizar el cálculo y el diseño de las silletas para recipientes cilíndricos horizontales, nos basaremos
en un análisis presentado por L.P. Zick en 1951. Mismo que el Código ASME publico el trabajo como un
método recomendable (pressure vessel and piping desingn). Este mismo trabajo también ha sido aceptado
por algunos otros estándares como el API 2510 y el estándar británico 1515 con ligeras modificaciones.
11.5.7.5. Cargas a considerar
Reacciones en las silletas
Estas reacciones se recomiendan calcular considerando el peso del recipiente lleno de agua, ya que será
el peso máximo que deberán de sostener las silletas.
166
Presión interna
Ya que el esfuerzo longitudinal en los recipientes es sólo la mitad de los esfuerzos circunferenciales,
aproximadamente la mitad del espesor del envolvente o coraza, nos sirve para soportar la carga debida al
peso del equipo.
Presión externa
Si el recipiente no ha sido diseñado para soportar vacío total, porque se espera que el vacío ocurra
solamente en condiciones accidentales, se deberá instalar una válvula rompedora de vacío, especialmente
cuando la descarga del recipiente esté conectada a una bomba.
Cargas por viento.
Cuando la relación t/r es muy pequeña en recipientes a presión, estos están expuestos a sufrir distorsión
debida a la presión ejercida por el viento. De acuerdo con el Método de Zick, las experiencias indican que
un recipiente diseñado para soportar una presión exterior de 1 libra/pulg2, tendrá la resistencia suficiente-ra
soportar las cargas externas a las que será sometido en condiciones de operación normales.
Cargas por impacto
En el transporte y embarque se ha comprobado y visto que los recipientes a presión, pueden sufrir daños,
debidos a los golpes recibidos debidos a un mal manejo de operadores de grúas. Por lo que debemos
tener esto en mente al diseñar el ancho de las silletas.
Localización de las silletas
Desde el punto de vista estético y económico, es preferible el uso de dos silletas únicamente y esto es
posible mediante el uso de anillos atiesadores en el recipiente como se presentó anteriormente, cuando
usamos más de dos silletas como soporte, corremos el riesgo de que algunas de ellas se “sienten” y en
vez de ayudarnos a soportar el equipo, sus soportes serán soportados por éste, involucrando cargas que
originalmente no habíamos considerado.
En la industria la localización de las silletas está determinada en la mayoría de las veces por la posición de
boquillas o sumideros (Botas) en el fondo del recipiente, si este no es el caso, las silletas se localizarán en
un lugar óptimo (3/5) de separación entre silletas respecto a la longitud del cuerpo del recipiente).
El lugar óptimo para localizar las silletas en este tipo de recipientes, es aquel en el cual los momentos
flexionantes resultantes son iguales tanto en los puntos donde están localizadas las silletas como en el
centro de la distancia entre ellas, la localización de estos puntos es función del ángulo de agarre de las
silletas.
167
Ángulo de agarre.
El valor del mínimo ángulo de contacto entre la silleta y el cuerpo es sugerido por el Código A.S.M.E. es de
120°, con excepción de recipientes muy pequeños. Cuando diseñamos un cuerpo cilíndrico para soportar
presión externa sin anillos atiesadores, el “ángulo de agarre” es mandatorio y está limitado por el Código
A.S.M.E. a un valor de 120°.
Esfuerzos
Los recipientes cilíndricos horizontales soportados por medio de silletas, están sometidos a los siguientes
tipos de refuerzos:
1. Esfuerzos longitudinales por Flexión.
2. Esfuerzos de Corte Tangenciales.
3. Esfuerzos Circunferenciales.
En la tabla 28, para realizar el análisis de los esfuerzos en el cuerpo de un recipiente cilíndrico horizontal
soportado por medio de dos silletas. Los valores positivos obtenidos en las ecuaciones, indican que se
trata de esfuerzos a tensión y los valores de signo negativo nos indican que son elementos que trabajan a
compresión, “E” nos representa el Módulo de Elasticidad del material del cuerpo o anillo atiesador en
lb/pulg2.
Tabla 30 Análisis de esfuerzos en recipientes cilíndricos horizontales soportados en dos silletas.
Esfu
erz
os
Con
dic
ione
s
Má
xim
o
esfu
erz
o
Ecuaciones Máximo esfuerzo permisible
Pa
nd
eo lo
ng
itu
din
al
Cue
rpo
refo
rza
do
po
r ta
pas
o a
nill
os o
cu
erp
o s
in
refo
rza
r
En las
SILLETAS
(tensión en
la parte
superior
compresión
en el fondo)
(
)
Si A tención más el esfuerzo debido a
la presión interna PR/2ts no deberá
de exceder el valor del esfuerzo
permisible del material del cuerpo
considerando la eficiencia de la
soldadura perimetral. en compresión
Condiciones
de diseño
L = (in) A = (in) tr = (in) b = (in) P = lb/in2 presión de
diseño interno
S = lb/in2 valor del esfuerzo
del material de recipiente
R = (in) H = (in) th = (in) Ɵ = grad E = eficiencia de la
soldadura perimetral
Q = lb carga en una silleta
168
En el
CENTRO
(tensión en
la parte
superior
compresión
en el fondo)
(
,
el esfuerzo debido a la presión
interna menos S1 no deberá exceder
la mitad del valor del punto de
cedencia a compresión del material o
valor dado por:
(
* (
* [
]
E = módulo de elasticidad del
material del cuerpo o anillo atiesador
en lb/in2.
El máximo esfuerzo longitudinal S1 puede ser de tensión o compresión. Cuando se calcule el esfuerzo a la tensión, en la ecuación de S1, debemos usar el valor de K1 en vez del factor K. Cuando se calcule el esfuerzo a compresión en la ecuación de S1, debemos usar el valor de K8 en vez del factor K. Cuando se usen anillos atiesadores en el cuerpo, el valor de K será igual a 3.14 en la ecuación para S1. Cuando la relación t/R sea mayor o igual a 0.005 en un recipiente de acero, el esfuerzo de compresión no se deberá tomar en consideración y el recipiente será diseñado para trabajar solamente a presión interna. Si el valor del esfuerzo máximo permisible es excedido por el valor de S1, se deberán usar anillos atiesadores en el cilindro del recipiente.
Co
rte
ta
ng
en
cia
l
Sill
eta
s le
jan
as a
la
s
tap
as A
>R
/2
En el
CUERPO
(
) S2 no deberá exceder 0.8 veces del
esfuerzo a tensión permisible del
material del recipiente.
S3 mas el esfuerzo debido a la
presión interna no deberá exceder
de 1.25 veces el esfuerzo a tensión
permisible del material de la tapa.
Usa la formula con el factor K2 si no
se usan anillos de refuerzos o si
estos están próximos a las silletas
use la ecuación con el factor k3 si el
anillo de refuerzo está en el plano de
la silleta.
En el
CUERPO
(
)
Sill
eta
s c
erc
ana
s a
las t
ap
as A
≤
R/2
En el
CUERPO
En la TAPAS
Esfuerzos
adicionales
en las
TAPAS
Los valores de K se localizan en la tabla que se encuentra en los anexos 8G y 8H
1.- Si se utilizan placas de respaldo en las silletas, el valor de la suma del espesor del cuerpo
más el espesor de la placa de respaldo, deberá ser utilizado como ts, en las ecuaciones para
169
calcular S2, haciendo que la placa de respaldo se proyecte R/10 sobre el extremo de la silleta y
hacia los lados de la misma.
2.- En recipientes sin anillos atiesadores, el máximo esfuerzo cortante se presenta en la parte
superior de las silletas. Cuando la tapa es usada como anillo atiesador, colocando las silletas cerca
de las tapas, el esfuerzo de corte tangencial puede causar un esfuerzo adicional en las tapas (S3).
Este esfuerzo debe considerarse sumándolo al causado por la presión interna en las tapas.
3.- Cuando se usan anillos atiesadores, el máximo esfuerzo cortante se presenta en la parte
central del recipiente.
Circu
nfe
ren
cia
l
Sin
atie
sa
do
res
L ≥
8R
En la unión
con la silleta
( √ )
S4 no deberá exceder 1.5 veces el
valor de esfuerzo a la tensión del
material del cuerpo.
S5 no deberá exceder 0.5 veces el
valor a compresión del límite de
fluencia del material del cuerpo.
L <
8R
( √ )
Con
o s
in
atiesa
do
r En la parte
inferior del
cuerpo
( √ )
Si se utilizan placas de respaldo en las silletas, se puede usar el valor de la suma del espesor
del cuerpo más el espesor de la placa de respaldo como ts, en las ecuaciones para calcular S4 y
para el valor de ts2, se deberá tomar la suma de los cuadrados de los espesores, tanto del cuerpo
como de la placa de respaldo y se deberá dar a ésta una proyección R/10 sobre la parte superior de
la silleta, además de que deberá cumplir con la relación A< R/12. Los esfuerzos combinados
circunferenciales en la parte superior de la placa de respaldo, deberán ser checados cuando se
efectúe este chequeo tomaremos:
ts = Espesor del envolvente.
b = Ancho de la silleta.
θ = Ángulo central de la placa de respaldo, el cual nunca será mayor que el ángulo de la
silleta más 12°.
Si se usa placa de respaldo en las silletas, el valor de ts, usado en la fórmula para obtener
S5, puede ser tomado como la suma de los espesores del cuerpo y la placa de respaldo, siempre y
cuando ésta tenga un ancho mínimo igual a:
√
Si el cuerpo no tiene anillo atiesador, el máximo esfuerzo se presentará en la parte superior
170
de la silleta y su valor no se deberá agregar al esfuerzo producido por la presión interna.
En un cilindro equipado con anillos atiesadores, los máximos valores del esfuerzo a
compresión se presentan en el fondo del cuerpo.
Si el esfuerzo circunferencial excede del máximo permisible según la presente tabla, se
deberán usar anillos atiesadores.
En los anexos 8G y 8H respectivamente, se muestran los valores de K1 a K8, para los valores de K9 y K10
ver la Tabla 28.
Deberemos de tomar en cuenta al usar las ecuaciones mostradas en la “Tabla 27. Anillos atiesadores”
En las Figuras y ecuaciones de la “A” a la “F”, los signos positivos indican esfuerzos a tensión, y los
negativos nos dicen que el elemento en estudio trabaja a compresión.
La primera parte de la ecuación para obtener S6, nos da directamente el valor del esfuerzo y la
segunda da el esfuerzo circunferencial por flexión.
Si el esfuerzo gobernante es el de tensión, se le agregará el esfuerzo debido a la presión interna
Pr/ts.
Cabe hacer notar que los valores de “B” obtenidos por medio de las gráficas mostradas en las graficas
anteriores para la obtención de este factor. Representan los valores del esfuerzo a compresión de los
materiales, dependen además del material de que se trate y de su forma.
Finalmente, para determinar el cálculo de las silletas, es necesario definir el espesor de las mismas. En la
Ilustración 62, se muestra un formato para calcular el espesor.
La sección más baja de la silleta deberá resistir
la fuerza horizontal (F).
La sección transversal efectiva de la silleta que
resiste esta carga estará a un tercio del radio
del recipiente (R).
Ilustración 69 Diseño de silletas.
171
Dónde:
Q= la carga sobre una de las silletas en lb. K11 = constante (ver valores en la tabla)
Tabla 31 Valores de la constante K
Angulo de contacto Ɵ 120º 130º 140º 150º 160º 170º 180º
K11 0.204 0.222 0.241 0.259 0.279 0.298 0.318
Nota “El promedio de los esfuerzos no deberá exceder a dos tercios el esfuerzo a la tención permisible del material”.
Para poder absorber la dilatación y expansión por cambios de temperaturas en recipientes cilíndricos
horizontales, se deberá permitir el deslizamiento de una de las silletas, de preferencia la que esta opuesta
a las condiciones de tubería principales, en esta silleta se deberá hacer ranuras (barrenos oblongos)
La longitud de las ranuras deberá determinarse de acuerdo a las dilataciones térmicas esperadas a
condiciones críticas. El coeficiente de dilatación térmica por unidad de longitud y por °F es igual a
0.0000067. La tabla 32 muestra la dimensión “a” que fue calculada para absorber las dilataciones térmicas
de recipientes de acero al carbón entre 70ºF y 900ºF. Cuando la dilatación térmica es de 3/8” se deberá
usar una placa de deslizamiento. Cuando el recipiente sea soportado por silletas de concreto, se deberá
instalar una “cama” de material elástico a prueba de agua de un espesor mínimo de 1/4", la cual deberá
ser aplicada entre la silleta y el cuerpo del recipiente.
Tabla 32 Longitud mínima de las ranuras.
Distancia entre las silletas en ft
Temperatura en ºF
-50 100 200 300 400 500 600 700 800 900
10 0 0 0 1/4 3/8 3/8 ½ 5/8 3/4 3/4
20 0 0 ¼ 3/8 5/8 ¾ 1 1-1/8 1-1/4 1-3/8
30 1/4 1/8 3/8 5/8 7/8 1-1/8 1-3/8 1-5/8 1-5/8 2
40 1/4 1/8 3/8 3/4 1-1/8 1-1/2 1-7/8 2-1/8 2-3/8 2-1/2
50 3/8 1/4 ½ 1 1-3/8 1-5/8 2-1/4 2-5/8 3 3-3/8
60 3/8 1/4 5/8 1-1/4 1-5/8 2-1/8 2-3/4 3-1/8 3-5/8 4-1/8
70 1/2 1/4 3/4 1-3/8 1-7/8 2-1/2 3-1/8 3-5/8 4-1/4 4-5/8
80 1/2 3/8 3/4 1-1/2 2-1/8 2-7/8 3-5/8 4-1/8 4-7/8 5-3/8
90 5/8 3/8 7/8 1-3/4 2-3/8 3-1/4 4 4-5/8 5-3/8 6
100 5/8 3/8 1 1-7/8 2-5/8 3-5/8 4-1/2 5-1/8 6 6-5/8
Ya revisamos la forma de calcular las silletas y anillos atiesadores en recipientes a presión cilíndricos
horizontales, sin embargo, cuando las dimensiones son relativamente pequeñas, podemos usar las
dimensiones para silletas mostradas en la tabla 33. Soportes para recipientes, siempre se debe confirmar
con cálculos si el diseño de las silletas es el adecuado.
172
Tabla 33 Soportes para recipientes de 6”a 20” de Ɵ (dimensiones en IN)
Ø A1 B E F G H K M R Ø Barreno
W de silleta kg.
6 9.50 1.50 3.00 2.00 6.00 0.25 1.75 6.187 3.312 0.75 4.00
8 9.50 1.50 3.00 2.00 6.00 0.25 1.75 5.187 4.312 0.75 3.50
10 11.50 1.50 3.00 4.00 10.00 0.25 1.75 6.125 5.375 0.75 5.50
12 11.50 1.50 3.00 4.00 10.00 0.25 1.75 5.125 6.375 0.75 5.00
14 13.50 1.50 3.00 5.25 13.50 0.375 1.75 6.50 7.00 0.75 11.00
16 13.50 1.50 3.00 5.25 13.50 0.375 1.75 5.50 8.00 0.75 9.50
18 15.50 1.50 3.00 6.50 16.00 0.375 1.75 6.50 9.00 0.75 13.50
20 15.50 1.50 3.00 6.50 16.00 0.375 1.75 5.50 10.00 0.75 12.50
Ilustración 70
Diseño de silletas
de 6” a 20” de Ø
0.4R ≤ A ≤ 0.2L : R = D/2 ó 0.2G ≤ A ≤ 0.2L Para materiales A-283 Gr. C A-36 Corrosión: 1/16” Toda la soldadura continúa la dimensión del filete 3/16” diámetro del ancla 5/8”
173
Ilustración 71 Diseño de silletas de 24” a 144” de Ø
Notas:
La placa de refuerzo o de corrosión será soldada al recipiente con cordón corrido, y se extenderá
R/10 a cada lado de la silleta.
Hacer barreno de 1/4" en placa de refuerzo o corrosión.
El material de la placa será del mismo material del recipiente y deberá soldarse al mismo con la
soldadura adecuada.
Materiales pueden ser: A-283 Gr. C y A-36
Tabla 34 Soportes para recipientes de 24”a 144” de Ɵ (dimensiones en IN)
Ø
Carg
a
máx
ima
2
sopo
rtes
Kg
A1
B C D E F G H J K T
Ø Ba
rren
os
Ø Ba
rren
os
oblo
ngos
File
te d
e
sold
adur
a
24 3410 19 6 22 3/8 7 8 23 5/16 11 3/16 3/4 1 1x1 -1/2 1/4
30 4545 22 6 28 7/16 7 10-1/2 29 5/16 13-1/2 3/16 3/4 1 1x1 -1/2 1/4
36 6816 25 5 32 1/2 7 12-1/2 34 3/8 16 1/4 3/4 1 1x1 -1/2 1/4
42 9090 28 6 38 9/16 7 16 40 ½ 19 5/16 3/4 1 1x1 -1/2 5/16
48 18180 31 8 43 5/8 9 18 45 ½ 21-1/2 3/8 7/8 1-1/8 1-1/8x1-3/4 3/8
54 22727 34 8 48 5/8 9 20 50 ½ 12 3/8 7/8 1-1/8 1-1/8x1-3/4 3/8
60 27270 37 8 53 5/8 9 23 55 ½ 13 3/8 7/8 1-1/8 1-1/8x1-3/4 3/8
66 34090 40 8 58 5/8 9 25 60 ½ 14 3/8 7/8 1-1/8 1-1/8x1-3/4 3/8
72 38636 43 8 63 5/8 9 28 65 ½ 16 3/8 7/8 1-1/8 1-1/8x1-3/4 3/8
78 45455 46 8 69 5/8 9 31 71 ½ 17 3/8 7/8 1-1/8 1-1/8x1-3/4 3/8
84 58180 49 9 74 3/4 10 33 76 5/8 19 1/2 7/8 1-1/8 1-1/8x1-3/4 1/2
90 79540 52 9 79 3/4 10 35 81 5/8 20 1/2 7/8 1-1/8 1-1/8x1-3/4 1/2
96 90900 55 9 84 3/4 10 37 86 5/8 21 1/2 1 1-1/4 1-1/4x2 1/2
174
102 104540 58 9 90 3/4 10 40 92 5/8 23 1/2 1 1-1/4 1-1/4x2 1/2
108 125000 61 10 95 3/4 11 42 97 5/8 24 1/2 1 1-1/4 1-1/4x2 1/2
114 159100 54 10 100 3/4 11 44 102 5/8 25 1/2 1 1-1/4 1-1/4x2 1/2
120 177270 67 10 105 3/4 11 46 107 5/8 26 1/2 1 1-1/4 1-1/4x2 1/2
126 200000 70 10 110 3/4 11 48 112 5/8 28 1/2 1 1-1/4 1-1/4x2 1/2
132 227270 73 10 116 3/4 11 51 118 5/8 29 1/2 1 1-1/4 1-1/4x2 1/2
138 245450 76 10 121 3/4 11 53 123 5/8 30 1/2 1 1-1/4 1-1/4x2 1/2
144 263600 79 10 126 3/4 11 55 128 5/8 32 1/2 1 1-1/4 1-1/4x2 1/2
Algunos recipientes cilíndricos horizontales nos sirven para
almacenar fluidos calientes o fríos, este incremento o decremento
en la temperatura del recipiente origina dilataciones o
contracciones en él. El coeficiente de dilatación térmica para
aceros al carbón es de aproximadamente 0.0000067 pie/°F.
En la tabla 32, se muestran algunas dimensiones recomendables
para las ranuras en función de la distancia entre silletas y la
temperatura de diseño.
11.5.7.6. Cálculo del faldón
Para el cálculo del faldón se necesita la siguiente información:
Diámetro del circulo de barreno s = in Diámetro exterior del faldón Ds = in Material del faldón S = lb/in2 Material de la placa base S = lb/in2 Momento de la base M = lb-ft Momento en la línea de tangencia del fondo Mt= lb-ft
Peso vacío w = lb Peso en operación W = lb
Para el faldón se calcula el espesor de la siguiente manera.
Dónde: t = espesor en (in) R = Radio exterior del faldón en (in) E = 0.6 Eficiencia de la unión del faldón con la tapa. Para el cálculo de las anclas proceder de la siguiente forma:
Determine el área dentro del círculo de barrenos
[ ]
Determine el perímetro en el círculo de Barrenos
[ ]
Ilustración 72 Faldón para recipientes
verticales, cotas, estructura y
posicionamiento
175
Calcule la tención máxima en el círculo de barrenos debida a la acción del viento (T)
[ ]
Determine en número de anclas N:
Tabla 35 Numero de anclas recomendadas.
Diámetro del circulo de las anclas
Mínimo Máximo
24 a 36 4 4
42 a 54 8 8
60 a 78 12 12
84 a 102 12 12
108 a 126 16 20
132 a 144 20 24
Determinar el esfuerzo máximo permisible en las anclas SB
Tabla 36 Máximo esfuerzo permisible de las anclas (SB) en lb/in2
Especificación Diámetro (in) Máximo esfuerzo Permisible lb/in2
SA-325 Todos los diámetros 15,000
SA-193-B7 2-1/2 y menores 18,000
SA-193-B116 2-1/2 y menores 18,000
SA-193-B7 De 2-1/2 a 4 inclusive 16,000
SA-193-B16 De 2-1/2 a 4 inclusive 15,7000
Calcular el área requerida por ancla con la siguiente ecuación:
[ ]
Tabla 37 Área neta de tornillos y dimensiones de las placas base.
Diámetro del ancla
Área neta del ancla en (in)
Dimensiones min en (in)
L2 L3
½ 0.126 7/8 5/8
5/8 0.202 1 3/4
¾ 0.302 1-1/8 13/16
7/8 0.419 1-1/4 15/16
1 0.551 1-3/8 1-1/16
1-1/8 0.693 1-1/2 1-1/8
1-1/4 0.890 1-3/4 1-1/4
1-3/8 1.054 1-7/8 1-3/8
1-1/2 1.294 2 1-1/2
1-5/8 1.515 2-1/8 1-5/8
1-3/4 1.744 2-1/4 1-3/4
1-7/8 2.049 2-3/8 1-7/8
2 2.300 2-1/2 2
2-1/4 3.020 2-3/4 2-1/4
176
Comprobar el esfuerzo en las anclas con la siguiente ecuación:
[
]
Para el cálculo de la placa base se realizan los siguientes cálculos:
Calcular el área hasta el exterior del faldón
[ ]
Calcular el perímetro del faldón
[ ]
Calcular la máxima compresión en la base debida a la presión del viento y peso propio
[
]
Calcular el ancho aproximado de la base
⁄ [ ]
Dónde: fb = carga de asiento del concreto = 500 lb/in2 a menos que se especifique otro valor. Determinar las dimensiones L2 y L3 con la tabla 37. Calcule el espesor de la placa base
[ ]
Determinamos el área de la placa base
(
) [ ]
Revisar el esfuerzo de la placa base
[
]
Revisar el esfuerzo de flexión
[
]
2-1/2 3.715 3-1/16 2-3/4
2-3/4 4.618 3-3/8 2-5/8
3 5.621 3-5/8 2-7/8
177
Ilustración 73 Soporte para recipiente vertical “FALDON”
En las IMAGEN 66 Y 67, se muestran formatos que nos serán de gran utilidad cuando calculemos el anillo
base para localizar las anclas de un recipiente cilíndrico vertical ya sean soportes rectos o cónicos.
178
Ilustración 74. Soporte para recipiente vertical “FALDON”
Tabla 38 Soportes para recipiente vertical “Faldón recto”
1 1-1/4 1-1/2 1-3/4 2 2-1/4 2-1/2 2-3/4 3
A 1-1/4 1-1/2 1-5/8 1-7/8 2-1/8 2-1/4 2-3/4 3 3-1/4
B 1-3/4 2 2-1/8 2-3/8 2-5/8 2-3/4 3-1/4 3-1/2 3-3/4
C 3 3-1/2 3-3/4 4-1/4 4-3/4 5 6 6-1/2 7
D 2 2-1/4 2-1/2 2-3/4 3 3-1/4 3-1/2 3-3/4 4
E 4 4-1/4 4-1/2 4-3/4 5 5-1/4 5-1/2 5-3/4 6
t 5/8 ¾ 3/4 7/8 1 1 1-1/4 1-1/2 1-3/4
Tabla 39 Soportes para recipiente vertical “Faldón conico”
1 1-1/4 1-1/2 1-3/4 2 2-1/4 2-1/2 2-3/4 3
A 1-1/4 1-1/2 1-5/8 1-7/8 2-1/8 2-1/4 2-3/4 3 3-1/4
B 1-1/4 1-3/8 1-1/2 1-5/8 1-3/4 1-7/8 2 2-1/8 2-1/4
C 2-1/2 2-7/8 3-1/8 3-1/2 3-7/8 4-1/8 4-3/4 5-1/8 5-1/2
D 2 2-1/4 2-1/2 2-3/4 3 3-1/4 3-1/2 3-3/4 4
E 4 4-1/4 4-1/2 4-3/4 5 5-1/4 5-1/2 5-3/4 6
t 5/8 3/4 3/4 7/8 1 1 1-1/4 1-1/2 1-3/4
179
11.5.7.7. Cálculo de soportes tipo columnas
El esfuerzo máximo permisible en soportes tipo columnas está dado por la siguiente ecuación:
(
* [
]
Mínima sección transversal en cada columna está dada por:
Dónde: Sc = Máximo esfuerzo permisible a compresión. L = Longitud de columna. r = Radio de giro de la sección de la columna. A = Área neta de la sección de cada columna. P = Carga aplicada en cada columna.
Estas ecuaciones se tienes que utilizar siguiendo las siguientes restricciones:
1. Máxima relación de esbeltez permitida será de 120
2. El esfuerzo máximo permisible aplicado a las columnas será de 15000 lb/in2. Estos soportes son
utilizados en recipientes cilíndricos verticales de pequeñas dimensiones, por lo tanto, de poco peso
y por lo que las columnas resultantes son casi siempre de pequeña sección, pudiendo incrementar
la sección resultante en las columnas.
11.5.7.8. Calculo de orejas de izaje
Con el fin de transportar, localizar y dar mantenimiento, etc. A los recipientes a presión, es necesario
equiparlos por lo menos con dos orejas de izaje, el espesor de éstas se calcula por medio de la siguiente
ecuación.
DONDE:
to = Espesor mínimo en la oreja de izaje. W = Peso del equipo vacío. S = Esfuerzo a la tensión del material de la oreja. D = Distancia mostrada TABLA 40
En la Ilustración 68, se presenta, un croquis de localización de las orejas de izaje, en ocasiones no basta
con solo utilizar un par de ellas si no que este análisis está determinado por el peso del recipiente en
operación, por lo que el recipiente podría utilizar más de un par de ellas. Es conveniente revisar que el
espesor del recipiente sea suficiente para soportar las fuerzas aplicadas en la oreja de izaje, el espesor
mínimo requerido en el cuerpo o en la placa de respaldo de la oreja está dado por la siguiente ecuación:
180
DONDE: tc = Espesor mínimo requerido en la placa de respaldo. W = Peso del equipo vacío. S = Esfuerzo a la tensión del material del cuerpo o placa de respaldo. C = Longitud mostrada en la Imagen 69 y tabla 40 to = Espesor de la oreja de izaje.
Por último, se tiene que verificar que la soldadura aplicada para fijar la oreja de izaje sea suficiente,
ocupando las siguientes ecuaciones:
DONDE: As = Área de soldadura aplicada. Ar = Área mínima de soldadura requerida.
Siempre se deberá cumplir con la condición As > Ar. En la Tabla 40, se muestran las dimensiones de algunas orejas de izaje recomendables, las cuales están
dadas en función del peso del recipiente. Considerando la capacidad máxima en cada una de las orejas.
Tabla 40 Orejes de izaje en pulgadas
Capacidad en kg
A B C D F Db G H PZAS por recipiente
2000 3/4 4- ½ 4- ½ 1- 1/2 2- ¼ 1- 1/2 ¾ 3/8 2
4500 3/4 7 - ¾ 7- ¾ 1- 1/2 2- ¼ 1- 1/2 ¾ 3/8 2
5800 1 8- 7/16 8- 7/16 1- 1/2 2- ½ 1- 1/2 ¾ 3/8 2
13500 1- 1/2 8- ¾ 8- ¾ 1- 1/2 3- ½ 1- 1/2 ¾ ½ 2
24500 2 9- ¾ 9- ¾ 1- 5/8 3- ½ 1- 11/16 ¾ ½ 4
Ilustración 75 Localización de orejas de izaje.
181
Ilustración 76 Orejas de izaje
º
Nota: recordar que la máxima dimensión de la soldadura sea igual al menor espesor de la placa base Si el espesor de la tapa es mayor que “H = Espesor de la placa base de la oreja de izaje”, se podrá utilizar el espesor de la tapa como H sin tener la necesidad de agregar una placa base. La máxima dimensión de la soldadura será igual al menor espesor de la placa base.
7.5.8. Cálculo por peso.
7.5.8.1. Peso propio
El cálculo del peso del recipiente por si solo produce esfuerzos por compresión cuando no existen cargas
excéntricas y la fuerza resultante coincide con el eje del recipiente, generalmente este cálculo es
despreciable. De cualquier forma el peso del recipiente deberá ser calculado para usarse en combinación
con esfuerzos, realizando las consideraciones siguientes:
Peso de erección Peso de operación Peso de prueba
7.5.8.2. Peso de erección
Para este cálculo se incluyen las siguientes partes.
1.- Cuerpo. 2.- Tapas. 3.- Partes internas. 4.- Soportes de platos.
8.- Anillo base. 9.- Anillo para anclas. 10.- Cartabones para anclas. 11.- Accesorios.
182
5.- Soportes para aislamiento. 6.- Boquillas. 7.- Faldón.
12.- Aislamiento. 13.- Protección contra incendio. 14.- 6% de soldadura.
7.5.8.3. Peso de operación
Además de todos lo anterior deber a incluirse plataformas, escaleras, tuberías y demás.
7.5.8.4. Pesos de prueba
Para este cálculo, además de considerar los pesos de prueba y de operación, se debe de incrementar con
el peso del agua que usaremos para efectuar la prueba hidrostática. Una manera práctica para realizar
este cálculo los pesos de tapas de recipientes a presión, consiste en calcular las áreas en metros
cuadrados, por lo que se tiene que consultar la siguiente tabla.
Tabla 41 Placas Estandar “Dimenciones y pesos”
Medidas 9/16" 14.3
1/2" 12.7
7/16" 11.1
3/8" 8.5
5/16" 7.9
1/4" 6.4
3/16" 4.8
Pies metros mm. mm. mm. mm. mm. mm. mm.
3' x 6' 3' x 8' 3' x 10'
(.914 x 1.83) (.914 x 2.44) (.914 x3.05)
187 250 312
167 222 278
146 194 243
125 167 208
104 139 173
83 111 139
62 83
104
4' x 8' 4' x 10' 4' x 12'
(1.22 x 2.44) (1.22 x 3.05) (1.22 x 3.66)
333 416 500
296 370 444
259 324 389
222 278 333
185 231 278
148 185 222
111 139 167
5' x 10' 5' x 15' 5' x 20'
(1.52 x 3.05) (1.52 x 4.57) (1.52 x 6.10)
521 781
1041
463 694 925
405 607 810
347 521 694
289 434 578
231 347 463
174 260 347
6' x 12' 6' x 18' 6' x 20'
(1.83 x 3.66) (1.83 x 5.49) (1.83 x 6.10)
750 1124 1249
666 999
1110
583 874 972
500 750 833
416 625 694
333 500 555
250 375 416
Kilos por m2 112.06 99.61 87.15 74.70 62.25 49.80 37.35
Kilos por pie2 10.410 9.253 8.097 6.940 5.793 4.627 3.47
Medidas 1"
25.4 15/16" 23.8
7/8" 22.2
13/16" 20.6
3/4 19.1
11/16" 17.5
5/8" 15.9
pies metros mm. mm. mm. mm. mm. mm. mm.
3' x 6' 3' x 8' 3' x 10'
(.914 x 1.83) (.914 x 2.44) (.914 x 3.05)
333 444 555
312 416 521
291 389 486
271 361 451
250 333 416
229 305 382
208 278 347
4' x 8' 4' x 10' 4' x 12'
(1.22 x 2.44) (1.22 x 3.05) (1.22 x 3.66)
592 740 888
555 694 833
518 648 777
481 601 722
444 555 666
407 509 611
370 463 555
5' x 10' 5' x 15' 5' x 20'
(1.52 x 3.05) (1.52 x 4.57) (1.52 x 6.10)
925 1388 1851
868 1301 1735
810 1215 1619
752 1128 1504
694 1011 1388
636 954 1272
578 868
1157
6' x 12' 6' x 18' 6' x 20'
(1.83 x 3.66) (1.83 x 5.49) (1.83 x 6.10)
1333 1999 2221
1249 1874 2082
1166 1749 1943
1083 1624 1804
999 1499 1666
916 1374 1527
833 1249 1388
Kilos por m2 199.21 186.75 174.31 161.85 149.41 136.96 124.51
Kilos por pie2 18.507 17.350 16.194 15.037 13.880 12.724 11.567
Los pesos de platos, boquillas, tuberías y demás accesorios pertenecientes a los recipientes, se pueden
encontrar fácilmente en los catálogos que proporcionan los fabricantes de estos productos. Para el cálculo
183
del peso de plataformas, escaleras, soportes para aislamiento, etc, se puede realizar haciendo un
estimado del material necesario localizando los pesos unitarios de cualquier perfil estructural y comercial.
Se deberá utilizar la siguiente ecuación para calcular el esfuerzo producido por el peso propio del
recipiente.
Donde S = Esfuerzo a compresión producido por el peso propio del recipiente en lb/Pulg2. W = Peso del recipiente en libras. c = Perímetro del cuerpo o faldón medido en el diámetro medio en pulgadas. t = Espesor del cuerpo o faldón en pulgadas.
El esfuerzo producido por el recipiente, lo tomaremos en cuenta cuando hagamos el análisis de esfuerzos
por combinación de los mismos.
Ilustración 77 De zonas eólicas, velocidades Regionales de la República Mexicana.
7.5.9. Cálculo por presión del viento
Se presentan los cálculos para poder realizar los cálculos de los esfuerzos producidos por el viento en
recipientes cilíndricos verticales. Al realizar los cálculos, debemos considerar lo siguiente:
Se utiliza el diámetro exterior, incluyendo el aislamiento en caso de que tenga.
Para el cálculo del valor del viento Pw se considera un factor de forma, el cual tendrá un
valor de 1 para superficies planas, y 0.6 para cilíndricas.
Los valores de velocidad de viento y consecuencias la presión del viento, dependerán del
lugar geográfico donde se instale el recipiente y de la altura del mismo.
Se consideraran los cuerpos cilíndricos verticales como vigas empotradas.
184
El Código ASME, Sección VIII, División 1. Recomienda calcular que el recipiente cilíndrico
vertical por presión de viento y por sismo, considerando únicamente el mayor de ellos, ya
que generalmente nunca se presentan de una manera simultánea.
En la siguiente tabla 42 e ilustración 70, se muestran los valores de las velocidades del viento en algunos
lugares de la república mexicana y en la tabla se presentan las velocidades con un mejor detalle.
Tabla 42 Velocidades de viento en la república mexicana
No. Observatorio
Coordenadas en grados y minutos
Rumbo
Latitud Longitud Altura (m)
Dirección Vel. (m/s)
1 Ensenada B.C. 31-51 116-38 13 W 14.4
2 La Paz B.C. 24-10 110-25 10 NE 37.0
3 Puerto Cortés B.C. 24-25 111-52 5 N 21.8
4 Campeche Camp. 19-51 90-33 5 E 36.0
5 Torreon Coah. 25-32 103-27 1013 SE 38.0
6 Saltillo Coah. 25-25 102-00 1609 SSE 29.0
7 Piedras Negras Coah. 28-42 100-31 220 NE 41.0
8 Monclova Coah. 26-53 101-25 591 NNE 16.5
9 Colima, Col. 19-14 103-43 494 SE 38.4
10 Manzanillo, Col 19-03 104-17 8 WSW 65.0
11 Comitán, Chis, 16-15 92-08 1530 E 29.0
12 Tapachula, Chis.- 14-55 92-16 182 NE 25.0
13 Tuxtla Gutiérrez, Chis. 16-45 93-07 518 W/NNE 19.0
14 Chihuahua, Chi. 28-38 106-05 1423 SSW 38.5
15 Tacubaya, D.F. 19-24 99-12 2308 SSE 28.4
16 Cd. Lerdo, Dgo. 25-32 130-31 1135 SW 38.0
17 Durango, Dgo 24-02 104-40 1889 NE 23.8
18 Acapulco, Gro. 16-50 99-56 28 ENE 49.9
19 Chilpancingo, Gro. 17-33 99-30 360 E-ESE-SE 23.0
20 Guanajuato, Gto. 20-01 101-15 2050 W-NE 21.0
21 Pachuca, Hgo. 20-08 98-44 2426 NE 33.3
22 Guadalajara, Jal. 22-43 103-23 1589 NE 27.6
23 Huejucar, Jal. 22-21 103-21 1932 SW 20.5
24 Toluca, Mex. 19-18 99-40 2680 N 20.5
25 Morelia, Mich. 19-42 101-11 1941 S 22.1
26 Tepic, Nay. 21-31 104-54 915 NW 12.5
27 Monterrey, N.L. 25-40 100-18 538 ESE 30.5
28 Oaxaca, Oax. 17-04 96-43 1550 W 27.0
29 Salina Cruz, Oax. 16-10 95-12 6 NW 54.0
30 Puebla, Pue. 19-02 98-12 2162 SE 23.8
31 Querétaro. Qro. 26-36 100-23 1842 W/SE 25.0
32 Cozumel, Q. Roo. 20-31 86-57 3 N 53.5
33 Chetumal, Q. Roo. 18-30 88-18 3 SE-E-ESE 14.0
34 San Luis Potosí, S.L.P. 22-09 100-59 1877 W 25.2
35 Rio Verde, S.L.P. 21-56 100-59 987 ESE 15.0
36 Culiacán, Sin. 24-49 107-24 84 SE 27.7
37 Mazatlán, Sin. 23-12 106-25 3 NW 60.0
38 Guaymas, Son. 27-55 110-54 44 NNE 39.5
39 Hermosillo, Son. 29-04 110-58 237 ESE 12.5
40 Tampico, Tamps. 22-13 97-51 12 N 36.7
41 Tlaxcala, Tlax. 19-19 98-14 2252 S 29.3
42 Córdoba, Ver. 18-54 96-56 924 NW 25.0
43 Jalapa, Ver. 19-32 96-55 1427 N 32.0
44 Orizaba, Ver. 18-51 97-06 1284 S 19.6
185
Calculo de Espesores de pared requerido para soportar presión interna y carga de viento.
Condiciones de diseño: Presión interna de diseño, P = (lb/in2) Diámetro, D = (ft) Material S = (lb/in2) Radiografiado E = Tolerancia por corrosión, C = (in) Presión del viento, Pw = (lb/ft2) Espesor por presión interna t= (in)
Ecuaciones y procedimientos:
Cuando se conoce la velocidad del viento (Vw) se puede calcular la presión
del viento Pw.
[ ]
Determinación del ancho del recipiente (D1 y D2) en ft, se sumara el espesor
del aislamiento en caso de contar con él, tolerancia por tuberías, etc.
[ ]
[ ]
Calculamos la fuerza de corte debida al viento (V) en libras
[ ]
Calculo del momento producido por el viento (M) en lb-ft
[ ]
Calculo del momento en la línea de tangencia en el fondo (MT) en lb/ft
[ ]
Calcule el espesor requerido para soportar la fuerza del viento (tw) en in
[ ]
Agregue la mitad del espesor requerido por presión interna (t) en in,
Si el espesor calculado por presión interna es suficiente para soportar la fuerza del viento, no se requiere
hacer más cálculos. Calcular el peso de la torre por separado, en condiciones de operación y vacía en la
línea de tangencia del fondo.
45 Veracruz, Ver. 19-12 96-08 16 NNW 67.5
46 Mérida, yuc. 20-59 89-39 9 NNE 24.7
47 Progreso, Yuc. 21-18 89-39 8 SSE 28.9
48 La Bufa, Zac. 22-47 102-34 2612 SSW 17.9
Ilustración 78 Para soportar
presión interna y carga de
viento.
186
[ ] [ ]
Calcular el esfuerzo producido por el peso (Sg) en lb/in2.
[ ]
Dónde: C = perímetro de la torre medido en el diámetro medio en in t = espesor requerido por presión interna Calcular el esfuerzo producido por el viento (Sw) en lb/in2.
[ ]
Dónde: R = Radio en la fibra media del recipiente en in Calcule el esfuerzo producido por la presión interna (Sp) en lb/in2.
[ ]
Revisar la combinación de esfuerzos, el esfuerzo resultante en cualquier combinación deberá ser menor
que el máximo esfuerzo del material multiplicado por la eficiencia de las soldaduras (SE)
Tabla 43 Combinación de esfuerzos.
Por el lado del viento Por el lado del contra viento
En condiciones de vacío
Sw + lb/in2 Sw - Lb/in2
Sg - lb/in2 Sg - lb/in2
Total lb/in2 Total lb/in2
En condiciones de operación
Sp + lb/in2 Sw - lb/in2
Sw + lb/in2 Sg - lb/in2
+ lb/in2 - lb/in2
Sg - lb/in2 Sp + lb/in2
Total lb/in2 Total lb/in2
7.5.10. Cálculo por Sismo
Descripción de los cálculos para obtener los esfuerzos generados por sismos en recipientes cilíndricos
verticales, al efectuar estos cálculos debemos tener las siguientes consideraciones:
Los esfuerzos generados dependerán de la intensidad de los sismos y estos variarán de acuerdo a
la zona geográfica donde vayamos a instalar el recipiente, el manual de la Comisión Federal de
Electricidad, edición 2008, nos muestra en un mapa las diferentes zonas sísmicas de la República
Mexicana.
C = coeficiente sísmico D = Diámetro exterior del recipiente en ft
187
E =Eficiencia de la junta de soldadura H = Longitud del recipiente incluyendo el faldón, en ft M = Momento máximo en la base, en lb-ft Mx = Momento en una distancia X, en lb-ft R = Radio medido del recipiente, en in S = Esfuerzo del material o esfuerzo actual, en Psi T = Periodo de Vibración, en seg
(
*
√
Ilustración 79 Regionalización sísmica de la república mexicana.
t = espesor requerido, excluyendo corrosión, en in W = Peso total de la torre, en lb w = Peso de la torre por pie de altura, en lb X = Distancia desde la línea de tangencia más alta a la sección más baja en consideración, en ft V = Cortante total, en lb
Tabla 44 Coeficiente sísmico “C”
Zona Sísmica
Tipo de suelo
a0 C Ta (S) Tb (S)
A I II III
0.02 0.04 0.05
0.08 0.16 0.20
0.2 0.3 0.6
0.6 1.5 2.9
B I II III
0.04 0.08 0.10
0.14 0.30 0.36
0.2 0.3 0.6
0.6 1.5 2.9
C I II III
0.36 0.64 0.64
0.36 0.64 0.64
0.0 0.0 0.0
0.6 1.4 1.9
D I II III
0.50 0.86 0.86
0.50 0.86 0.86
0.0 0.0 0.0
0.6 1.2 1.7
188
7.5.11. Cálculo por vibraciones
Como un resultado de la presión del viento y de las fuerzas producidas por los sismos en recipientes
cilíndricos verticales altos, se produce vibración. El valor máximo del periodo permisible en este tipo de
recipientes está dado por la ecuación.
√
Y el valor del periodo de vibración producido por sismo o viento está dado por la ecuación:
(
*
√
Dónde: D = Diámetro exterior del recipiente en pies. H = Altura total del recipiente incluyendo el faldón en pies. g = Aceleración de la gravedad = 32.2 pies/seg2. t = Espesor del faldón en la base en pulgadas. V = Valor de la fuerza cortante en libras = CW. Ver imagen 72. w = Peso total del recipiente en libras. W = Peso de la torre por pie de altura en libras/pie.
Calculo del periodo de vibraciones máximo permisible y el periodo de vibración producido por el viento o
sismo, el valor de este periodo no excederá nunca el valor del periodo de vibración máximo permisible de
acuerdo con la ecuación siguiente:
√
Si el periodo producido por el viento o sismo fuese mayor que el máximo valor del periodo permisible, será
necesario incrementar el valor del espesor del faldón y efectuar nuevamente los cálculos.
7.5.12. Cálculo de la deflexión máxima.
Los recipientes cilíndricos verticales serán calculados como una viga empotrada y su deflexión máxima
nunca deberá ser mayor de 6 pulgadas por cada 100 pies desde la altura. La deflexión máxima debida a la
presión del viento puede ser calculada usando la ecuación para una viga empotrada con carga
uniformemente variable.
Dónde: M = Deflexión máxima en la parte superior en pulg.
189
D1 = Diámetro de la torre incluyendo aislamiento en pies. E = Módulo de elasticidad en lb/pulg2. H = Altura del recipiente incluyendo el faldón en pies. I = Momento de inercia para un cilindro delgado cuando R> 10t ; I = πR3t Pw = Presión del viento en lb/pie2.
7.5.13. Cálculo de esfuerzos combinados
Todas las cargas antes descritas deberán analizarse en conjunto, teniendo el único fin de definir
claramente el esfuerzo neto a que está sujeto un recipiente cilíndrico vertical.
La combinación de los esfuerzos producidos en los recipientes se realiza de la siguiente manera.
Tabla 45 Combinación de esfuerzos dominantes.
En el lado del viento: + Esfuerzo por viento + Esfuerzo por presión interna. - Esfuerzo por peso propio.
En el lado del viento: + Esfuerzo por viento - Esfuerzo por presión externa. - Esfuerzo por peso propio.
Lado contrario al viento: . - Esfuerzo por viento. + Esfuerzo por presión interna. (Long.) - Esfuerzo por peso propio.
Lado contrario al viento: - Esfuerzo por viento. - Esfuerzo por presión externa - Esfuerzo por peso propio.
Análisis de esfuerzos en combinación: Presión del viento o sismo Presión interna (esfuerzo longitudinal) Peso propio del recipiente
Análisis de esfuerzos en combinación: Presión del viento o sismo Presión externa Peso del recipiente
Los signos positivos son esfuerzos de tensión y los signos negativos indican que los esfuerzos
presentados son de compresión, la suma algebraica de los esfuerzos actuantes nos dará el esfuerzo
gobernante. El momento flexionante debido a la presión del viento es máximo sobre el faldón y conforme
se eleva el recipiente decrece hasta 0.
7.6. Diseño de Tanques de almacenamiento.
Los tanques de almacenamiento son utilizados como depósitos para poder contener una reserva suficiente
de algún producto para su uso posterior. Los tanques de almacenamiento se pueden clasificar en:
1. Cilíndricos Horizontales. 2. Cilíndricos Verticales de fondo plano.
Los tanques cilíndricos horizontales son de volúmenes bajos relativamente, debido a que presentan
problemas por fallas de corte y flexión. Los tanques cilíndricos verticales permiten almacenar grandes
cantidades volumétricas con un costo bajo. Con la limitante que se pueden usar bajo la condición de
presión atmosférica o de presiones internas relativamente pequeñas. Estos últimos se clasifican en:
190
De techo fijo: (Auto soportados y soportado por estructura) De techo flotante Sin techo
7.6.1. Códigos Aplicables.
Para el cálculo y diseño de tanques de almacenamiento, esto se basa en la publicación que realiza el
“Instituto Americano del Petróleo” bajo los estándares “STANDAR A.P.I. 650” para tanques a presión
atmosférica, y “STANDAR A.P.I. 620” para tanques de almacenamiento sometidos a presiones internas
cercanas a 1 kg/cm2 (14 lb/in2). Este solo cubre tanques en los que se almacenan fluidos líquidos y están
construidos de acero con el fondo uniformemente soportado por una cama de arena, grava, concreto,
asfalto, etc. Diseñados para soportar presiones atmosféricas o presiones internas que no excedan el peso
del techo por unidad de área y una temperatura de operación no mayor a 93ºC (200ºF) y que no se usen
para servicios de refrigeración.
Tabla 46 Estándares para tanques de fondo plano.
A.P.I. 650 A.P.I. 620 A.N.S.I. AWWA
Básico Apéndice A
Apéndice F
Básico Apéndice R
Apéndice Q
B 96.1
Pi Máxima Atm Atm 0.17 kg/cm2
1 kg/cm2
1 kg/cm2
1 kg/cm2
Atm Atm
T Mínima NS -28.8ºC NS -45.5ºC -54.4ºC -167ºC -28.8ºC -48.3ºC
T Máxima 93.3ºC 93.3ºC 93.3ºC 93.3ºC -40ºC 93.3ºC 204ºC RT
t Máximo cuerpo
44.4 mm
12.7 mm
44.4 mm
NS NS NS NS 50.8 mm
t Mínimo del cuerpo
D < 15.2m 4.76 mm 4.76 mm 4.76 mm
15.2 < D > 36.5 m
6.35 mm 6.35 mm 6.35 mm
36.5 < D > 60.9 m
7.93 mm 7.93 mm 7.93 mm
D > 60.9 m 9.52 mm 9.52 mm 9.52 mm
t Mínimo del techo
4.76 mm NS 4.76 mm
4.76 mm
t Máximo del techo
6.35 mm +C NS 6.35 mm
NS
Ángulo Mínimo de coronamiento
D > 10.6 m 50.8 mm * 50.8 mm * 4.76 mm
NS 63.5 mm * 63.5 mm * 6.35 mm
NS
10.6 < D > 18.2 m
50.8 mm * 50.8 mm * 6.35 mm
NS 63.5 mm * 63.5 mm * 7.93 mm
NS
D > 18.2 m 76.2 mm * 76.2 mm * 9.52 mm
NS 76.2 mm * 76.2 mm * 9.52 mm
NS
NS = Sin especificación C = Corrosión permisible RT = Temperatura ambiente 1. La temperatura puede ser elevada hasta 260 ºC cuando se cumplen ciertas
especificaciones del material y requerimientos de diseño adicionales. 2. Este espesor aplica para tanques con diámetros menores a 6.096 m 3. Este espesor aplica para tanques con diámetros entre 6.096 m y 36.57m 4. El espesor mínimo de cualquier placa es 4.76 mm + C. 5. Para espesores mayores de 50.8 mm se deben cumplir algunos requerimientos
especiales 6. Para techos cónicos, el espesor de placa puede ser calibre Nº 7
191
Tabla 47 Códigos de diseño para tanques de almacenamiento de petróleo y derivados.
Código de
Diseño
Descripción Aplicación
API 620 Design of Construction of
Large, Welded, Low
Pressure StorageTanks
Diseño, prefabricación en taller y ensamble en campo de
los tanques para almacenamiento de crudo y diferentes
fluidos, derivados del petróleo, que operan a presiones en
espacios de vapor o gas menores a 15 psig y temperaturas
no superiores a 121°C (250 °F).
API 650 Welded Steel Tanks for Oil
Storage
Diseño, prefabricación en taller y ensamble en campo de
los tanques para almacenamiento de crudo y diferentes
fluidos, derivados del petróleo.
Aplican para presiones en el espacio vapor de máximo 2,5
psig y temperaturas hasta 93°C (200 °F).
También se utilizaran para almacenamiento de agua
cuando se requiera almacenar más de 3000 barriles; para
capacidades menores ver lo descrito en tanques plásticos
de este capítulo.
API STD 2000 Venting atmospheric and
low pressure storage
tanks
Diseño y requerimientos para el venteo con vapores en
tanques atmosféricos para almacenamiento de crudo y
derivados
ANSI/UL-142 Steel Aboveground Tanks
Flammable and
Combustible Liquids
Diseño, fabricación y pruebas de tanques pequeños
atmosféricos para almacenamiento de líquidos
combustibles en nuestro caso almacenamiento de ACPM
Tabla 48 Códigos de Diseños de tanques de almacenamiento de líquidos
API 12D Specification for Field
Welded Tanks for Storage of
Production Liquids
Aplicable a tanques verticales soldados en el campo
para almacenaje de líquidos de producción y con
capacidades estandarizadas entre 80 y 1500 m3 (500 a
10000 barriles)
API 12F Specification for Shop
Welded Tanks for Storage of
Production Liquids
Aplicable a tanques verticales soldados en taller para
almacenaje de líquidos de producción y con
capacidades estandarizadas entre 13.5 y 120 m3 (90 a
750 barriles)
NFPA 22 Standard for Water Tanks for
Private Fire Protection
Tanques de agua contraincendios
ANSI/AWWA
D100
Welded Steel Tanks for
Water Storage
Tanques para almacenamiento de agua
192
7.6.2. Tipos de techos
El Standar A.P.I. 650 clasifica los tanques de acuerdo al tipo de techo, lo que proporciona el servicio
recomendable para estos.
Techo fijo: utilizados para contener productos no volátiles o de bajo contenido de ligeros (no
inflamables) “agua, diésel, asfalto, petróleo, etc”. Debido a que al disminuir la columna del fluido, se
va generando una cámara de aire que facilita la evaporación del fluido, lo que es altamente
peligros.
Se clasifican en: Techos Auto soportados. Techos Soportados.
Tabla 49 Grupos de materiales para la construcción de Tanques de Almacenamiento. Grupo 1 Rolado Semicalmado
Grupo 2 Rolado Calmado y Semicalmado
Grupo 3 Rolado y calmado grano fino
Material Notas Material Notas Material Notas
A-283-C 2 A-31-B 7 A-573-58
A-285-C 2 A-36 2 y 6 A-516-55
A-131-A 2 A-422-55 A516-60
A-36 2 y 3 A-422-60 G40.21-260W 9
Fe-42-B 4 G40.21-260W Fe-42-D 4 y 9
Gdo.37 3 y 5 Fe-42-C 4 Gdo.41 5 y 9
Gdo.41 6 Gdo.41 5 y 8
Grupo 3ª Normalizado, calmado grano fino
Grupo 4 Rolado calmado, rolado fino
Grupo 4A Rolado y calmado grano fino
A-131-CS A-573-65 A-662-C
A-573-58 10 A-573-70 A-573-70 11
A-516-55 10 A-516-65 G40.21-300W 9, 11
A-516-60 10 A-516-70 G40.21-350W 9, 11
G40.20-260W 9 y 10 A-662-B
Fe-42-D 4, 9, 10 G40.21-300W 9
Gdo. 41 5, 9 y 10 G40.21-350W 9
Fe-44-B,C,D 4 y 9
Fe-52-C,D 9
Gdo. 44 5 y 9
Grupo 5 Normalizado, calmado grano fino
Grupo 6 Normalizado, Reducido Calmado por temperatura, Grano fino y Reducción al Carbón
A-573-70 10 A-131-EH, 36
A-516-65 10 A-633-C
A-516-70 10 A-537-I 9
G40.21-300W 9 y 10 A-537-II 4 y 9
G40.21-350W 9 y 10 A-678-A
A-678-B 5 y 9
A-737-B
Techo Flotante: utilizados para almacenar productos con alto contenido de volátiles como son:
alcoholes, gasolinas y combustibles en general. Son para reducir o anular la cámara de aire, o
193
espacio libre entre el espejo del líquido y el techo, proporciona un medio aislante para la superficie
del líquido, esto reduce la velocidad de transferencia de calor al producto almacenado durante los
periodos de alta temperatura., evitando la formación de gases o vapores, al mismo tiempo se
reducen los riesgos al almacenar productos inflamables.
Los Tanques sin techo: se
utilizan para almacenar productos
en los cuales no es importante
que este se contamine o que se
evapore a la atmosfera como el
caso del agua cruda, residual,
contra incendios, el diseño de este
tanque requiere de un cálculo
especial del anillo de
coronamiento.
1. Debe ser semimuerto y
muerto.
2. Espesor menos o igual a
12.7 mm (1/2 in).
3. Máximo contenido de
manganeso de 1.5%.
4. Espesor menor o igual a
19.5 mm (3/4 in), cuando el rolado
es controlado.
5. Contenido de manganeso
de 0.8% a 1.2%, haciendo análisis
de calor es todos los espesores.
6. Espesores menores o
iguales a 25.4 mm (1 in).
7. Debe ser semimuerto y
grano fino.
8. Debe ser normalizado.
9. Debe ser tratado
térmicamente, con un máximo de
carbón de 0.02% y un máximo de
manganeso de 1.6%.
Notas:
1. Líneas 1. El Grupo II y Grupo V coinciden en espesores inferiores a 13 mm.
Grafico 28 Temperatura mínima admisible del metal del diseño de los
materiales usados en Tanques de almacenamiento sin pruebas de impacto.
Los espesores incluyen corrosión máxima permisible
Grafico 29 Temperatura b- (USC) mínima admisible del metal del diseño de
los materiales usados en el tanques de almacenamiento sin pruebas de
impacto. Los espesores incluyen corrosión máxima permisible.
194
2. El Grupo III y Grupo IIIA líneas coinciden en espesores inferiores a 13 mm.
3. Los materiales de cada grupo se enumeran en la tabla 45.
4. Utilice el Grupo IIA y Grupo VIA curvas para tubería y bridas:
a. Otros materiales de tuberías y forjar deberán clasificarse en los grupos de materiales que se
muestran
b. Los materiales en los grupos enumerados en la tabla anterior se puede utilizar en espesores
nominales, incluyendo la tolerancia de corrosión, a una temperatura de diseño de metal que
no sea inferior a las indicadas en las figuras.
5. Ecuaciones lineales proporcionadas en la Tabla 46 se pueden utilizar para calcular la temperatura
del metal del diseño (DMT) para cada grupo de materiales API y el rango de espesor.
Tabla 50 Ecuaciones lineales
Tabla. Ecuaciones lineales para la Grafica 28 Tabla. Ecuaciones lineales para la Grafica 29
Grupo API
Rango de t Ecuación Grupo API
Rango de t Ecuación
I 6 ≤ x < 13 Y = 0.714X - 16.286 I 0.25 ≤ x < 0.5 Y = 40X
I 13 ≤ x ≤ 25 Y = 1.417X – 25.417 I 0.5 ≤ x ≤ 1.0 Y = 60X – 10
II 6 ≤ x ≤ 13 Y = 0.634X - 31.81 II 0.25 ≤ x < 0.5 Y = 30.4X – 25.6
II 13 ≤ x ≤ 40 Y = 1.243X - 39.72 II 0.5 ≤ x ≤ 1.5 Y = 60.4X - 40.6
II A 10 ≤ x < 13 Y = 2.667X - 55.667 II A 0.375 ≤ x < 0.5 Y = 120X – 65
II A 13 ≤ x ≤ 19 Y = 2X – 47 II A 0.5 ≤ x ≤ 0.75 Y = 80X – 45
II A 19 ≤ x ≤ 40 Y = 0.905X – 26.19 II A 0.75 ≤ x ≤ 1.5 Y = 46.667X – 20
III 6 ≤ x < 13 Y = -40 III 0.25 ≤ x < 0.5 Y = -40
III 13 ≤ x < 40 Y = 1.222X – 55.89 III 0.5 ≤ x ≤ 1.5 Y = 60X – 70
III A 6 ≤ x ≤ 40 Y = -40 III A 0.25 ≤ x ≤ 1.5 Y = - 40
IV 6 ≤ x ≤ 40 Y = 0.7059X – 18.235 IV 0.25 ≤ x ≤ 1.5 Y = 34.4x – 1.6
IV A 6 ≤ x ≤ 40 Y = 0.7353X – 23.412 IV A 0.25 ≤ x ≤ 1.5 Y = 36X – 12
V 6 ≤ x ≤ 40 Y = 0.6176X – 31.71 V 0.25 ≤ x ≤ 1.5 Y = 30.4X – 25.6
VI, VI A 6 ≤ x ≤ 40 Y = 0.4112X – 40.471 VI, VI A 0.25 ≤ x ≤ 1.5 Y = 20X – 41
Y = Temperatura de diseño del metal ºC X = Espesor incluyendo la corrosión mm
Y = Temperatura de diseño del metal ºF X = Espesor incluyendo la corrosión in
7.6.3. Requerimientos para plataformas y pasillos
Estos requerimientos son especificados en el Standar API 650. El cual marca lo siguiente:
Para plataformas y barandales:
Todos los componentes deberán ser metálicos.
El ancho mínimo del piso será de 610 mm (24 in).
Todo el piso será de material anti-derrapante.
La altura del barandal será de 1.067 mm (42 in).
La altura mínima del rodapié será de 76mm (3 in).
El máximo espacio entre el suelo y la parte superior de la placa del pasillo será de 6.35 mm (1/4in).
La altura del barandal central será aproximadamente la mitad de la distancia desde lo alto del
pasillo a la parte superior del barandal.
La distancia máxima entre los postes del barandal deberá ser de 1168 mm (46 in).
195
La estructura completa tendrá que ser capaz de soportar una carga viva concentrada de 453 kg, en
cualquier dirección y punto del barandal.
Los pasamanos estarán en ambos lados de la plataforma y estarán interrumpidos donde sea
necesario para un acceso.
Cualquier espacio mayor de 152 mm (6 in) entre el tanque y la plataforma deberá tener pis.
Los corredores de los tanques deberán estar soportados de tal manera que tenga un movimiento
relativo libre de las estructuras unidas por los corredores, pudiendo estar acompañadas por una
firme atadura del corredor a los tanques, además del uso de una junta corregida o de dilatación en
el puente de contacto entre el corredor y el otro tanque.
Para escaleras:
Todas las partes de la escalera serán metálicas.
El ancho mínimo de las escaleras será de 610 mm (24 in).
El ángulo máximo entre las escaleras y una línea horizontal será de 50º.
El ancho mínimo de los peldaños será de 203 mm (8 in). La elevación será uniforme a todo lo largo
de la escalera.
Los peldaños deberán estar hechos de rejilla o material anti-derrapante.
La superior de la reja deberá estar unida a al pasamanos de la plataforma sin margen y la altura,
medida verticalmente desde el nivel del peldaño hasta el borde del mismo de 762 a 854 mm (30 in
a 34in).
La distancia máxima entre los postes de la rejilla medidos a lo largo de la elevación de 2438 mm
(96 in).
La estructura completa será capaz de soportar una carga viva concentrada de 453 kg, y la
estructura de los pasamanos deberán ser capaz de soportar una carga de 90kg, aplicada en
cualquier dirección y punto del barandal.
Los pasamanos deberá estar colocados en ambos lados de las escaleras rectas; estos serán
colocados también en ambos lados de las escaleras cuando el claro entre cuerpo-tanque y los
largueros de la escalera excedan 203mm (8 in).
Las escaleras circunferenciales estarán completamente soportadas en el cuerpo del tanque y los
finales de los largueros apoyados en el piso.
7.7. Calculo de tanques de almacenamiento.
7.7.1. Consideraciones de diseño.
1. Peso muerto (DL): el peso del tanque o del componente del tanque, incluyendo cualquier tolerancia
de corrosión a menos que se considere otra cosa.
2. Diseño de presión externa (Pe): no podrá ser inferior a 0,25 kPa (1 in de agua), excepto que la
presión externa (Pe), se considerará como 0 kPa (0 in de agua) para depósitos con venteos
aberturas de circulación que satisfacen los requisitos del “Apéndice H del código API 650. Techos
flotantes internos”.
196
3. Diseño por presión interna (Pi): que no exceda 18 KPa (2.5 lb/in2) en la coraza.
4. Prueba hidrostática (Ht): La carga debida a llenar del tanque hasta el nivel del líquido de diseño.
5. Carga del techo flotante interno:
a. Peso muerto del techo flotante interno (Df): incluye el peso de los componentes de flotación,
el sello y el resto del techo flotante y componentes conectados.
b. Carga viva uniforme en techo flotante interno (Lf1): (0.6 KPa) si no se proporcionan drenajes
automáticos, (0.24 KPa) si se proporcionan drenajes automáticos.
c. Carga puntual en el techo flotante interno (Lf2) de al menos dos hombres caminando en
cualquier lugar del techo. Una carga de 500 lbf aplicada en 1 ft2, aplicada en cualquier parte
del techo dirigida a dos hombres caminando.
d. Diseño por presión externa del techo flotante interno (Pfe) de mínimo 5 lbf/ft2.
6. Carga viva mínima en el techo (L): 20 lb/ft2 en el área proyectada horizontal del techo. La carga
viva mínima alternativamente se determinara de acuerdo con ASCE 7, pero no podrá ser inferior a
15 lb/ft2. La carga viva de techo mínimo se informara al comprador.
7. Sismo (E): las cargas sísmicas determinadas de acuerdo con el apéndice E “Diseño sísmico de
tanques de almacenamiento”.
Tabla 51 (SI) Temperaturas mínimas de precalentamiento
Grupo de materiales
Espesor de la placa más gruesa (mm)
Temperatura mínima de precalentamiento
Grupos I, II, III y III A
t ≤ 32 32 ≤ t ≤ 40
t > 40
0ºC 10ºC 93ºC
Grupos IV, IV A, V y VI
t ≤ 32 32 ≤ t ≤ 40
t > 40
10ºC 40ºC 93ºC
8. Líquido almacenado (F): la carga debida al líquido almacenado hasta el nivel de diseño con el peso
específico de diseño dado por el comprador.
9. Presión de prueba (Pt): Según los requisitos de siguientes:
Cuando se haya completado todo el tanque, deberá ser llenado hasta el ángulo superior o el
nivel de líquido de diseño, y la presión de aire interna de diseño deberá ser aplicado al espacio
cerrado por encima del nivel de agua y se mantuvo durante 15 min. La presión se reducirá
entonces a la mitad de la presión de diseño y todas las juntas soldadas sobre el nivel del
líquido se verificaran que no haya fugas por medio de una película de jabón.
Después de que el tanque se llena con agua, el cuerpo y el anclaje deberán ser
inspeccionados visualmente. La presión de aire será de 1.25 veces la presión de diseño
aplicada al tanque lleno de agua a la altura de diseño líquido. Con esto se comprobara la
estanqueidad, todas las costuras por encima del nivel de agua se someterían a ensayo
utilizado una película de jabón u otro material adecuado para la detección de fugas.
197
10. Viento (W): la velocidad de diseño del viento es de 190km/h; la velocidad de diseño del viento de
ráfaga de 3 seg determinado a partir de ASCE 7 “Cargas de diseño mínimas para edificios y otras
estructuras”, figura siguiente, o la velocidad de ráfaga del viento especificada por el comprador. La
presión del viento de diseño será de 0.86 kPa en zonas verticales proyectadas de forma cónica o
superficies de doble curvatura donde V es la velocidad del viento ráfaga de 3 seg.
11. Peso de líquido almacenado (L): la carga debida al llenado del tanque hasta el nivel de diseño del
líquido con una gravedad especifica de diseño especificada por el comprador.
7.7.2. Factores de diseño.
El comprador deberá indicar la temperatura de diseño de metal (con base en la temperatura ambiente), la
temperatura máxima de diseño, el peso específico de diseño, el subsidio corrosión (si lo hay), y los
factores sísmicos.
Cargas externas.
El comprador deberá indicar la magnitud y dirección de las cargas externas o restricción, en su
caso, para los que las conexiones carcasa o carcasa deben ser diseñados. El diseño de este tipo
de cargas deberá ser objeto de acuerdo entre el comprador y el fabricante.
A menos que se especifique lo contrario, el diseño sísmico se realizará de conformidad con el
Apéndice E.
Diseño para las fuerzas inducidas por el viento localizado en los componentes del techo serán
objeto de acuerdo entre el comprador y el fabricante.
Medidas de protección
El Comprador examinará en las bases de diseño, la tolerancia de corrosión, de ensayo de dureza, y
demás medidas de protección que se consideren necesarias.
Presión externa
En el cálculo de tanques de almacenamiento para la presión externa se observa la disposición para el
diseño de los tanques sujetos a vacío interno parcial superior a 0,25 kPa (1 in. De agua). Los tanques que
cumplan con los requisitos del API-650 pueden ser sometidos a un vacío parcial de 0,25 KPa (1 in. de
agua), sin la necesidad de proporcionar ningún cálculo de apoyo adicionales.
Capacidad del tanque
El Comprador deberá especificar la capacidad máxima y el requisito de nivel de protección contra
sobrellenado (o nivel máximo de volumen) “en el API-RP2350 menciona la protección de sobrellenado
para tanques de almacenamiento en instalaciones petroleras”. La capacidad máxima del volumen de
producto en un tanque cuando el tanque esté lleno hasta el nivel de líquido de diseño como se define en el
cálculo del espesor por el método de un pie. La capacidad de trabajo neto es el volumen de producto
198
disponible bajo condiciones de funcionamiento normales. La capacidad de trabajo neto es igual a la
capacidad máxima menos el volumen mínimo de funcionamiento que queda en el depósito, menos el nivel
de protección de sobrellenado (o volumen).
Ilustración 80 Volumen y nivel del tanque de almacenamiento.
Consideraciones especiales.
1. Base del tanque.
La selección del lugar de depósito, diseño, construcción, debe de garantizar un apoyo
adecuado, siendo responsabilidad del comprador mismo que tendrá que ser especificado en
la ficha técnica del recipiente “hoja de Datos”.
2. Corrosión permisible.
La corrosión permisible, debe de considerarse para todas las partes del recipiente (coraza,
base, techo, boquillas, pozos de registro y miembros estructurales”.
3. Condiciones de servicio.
Se deberá de indicar por el comprador todos los requisitos que debe de cumplir el
recipiente, cuando las condiciones de servicio pueden incluir la presencia de H2S, se debe
de tener especial cuidado para asegurar que los materiales del tanque resistan el contenido
de azufre de los metales básicos y de la soldadura, así como los procedimientos de control
de calidad adecuados para todo el tanque.
4. Dureza de soldaduras.
El metal de soldadura y la zona afectada térmicamente deben de cumplir con las
especificaciones para el complemento de H2S que aparece en la hoja de datos cuando sea
especificado.
199
La dureza del metal de soldadura para materiales de cubierta están en los Grupos IV, IVA,
V, VI, tendrán que ser evaluados por:
Todas las soldaduras deberán de incluir pruebas de dureza del metal de
soldaduras.
Se deberán realizar pruebas de dureza cada 30 m (100ft), siendo aprobados
por el comprador y el fabricante.
5. Espesores.
Cuando se especifica el material, los cálculos de diseño se basaran en el espesor utilizado.
7.7.3. Diseño de fondo.
El diseño depende da las siguientes consideraciones de acuerdo al API 650:
Los cimientos usados para soportar el tanque
Los métodos que utilizara para desalojar el producto almacenado
El grado de sedimentación de sólidos en suspensión
La corrosión del fondo y el tamaño del tanque
Las placas del fondo deben tener un espesor de no menos de 6.3 mm (1/4 “) 49.8 kg/m2 (10.2 lb/pie2) más
el sobre diseño por corrosión permisible. A menos que se acuerde lo contrario con el comprador.
El espesor de la placa ordenada no será menor que el espesor de diseño calculada o el espesor
mínimo permitido.
Las placas del fondo deberán sobresalir, por lo menos para que el ancho se proyecte 50mm (2in)
después del cuerpo del recipiente o deberá cumplir lo siguiente:
Tabla 52 Espesores y filetes de soldadura recomendados.
Espesor nominal de la placa del cuerpo
Tamaño mínimo del filete de soldadura
Mm In Mm In
5 0.1875 5 3/16
> 5 a 20 > 0.1875 a 0.75 6 ¼
> 20 a 32 > 0.75 a 1.25 8 5/16
> 32 a 45 > 1.25 a 1.75 10 3/8
Los fondos de tanques que requieran pendiente deberán de ser mínimo de 1:120 hacia arriba y hacia el
centro del recipiente. Si se especifica se dispondrá de un anillo de goteo en los cimientos para evitar la
entrada de agua entre el fondo del tanque y los cimientos, cubriendo los siguientes requisitos:
1. Material de Acero al carbón de 3 mm, mínimo de espesor para servicios no severos.
2. Las juntas radiales deberán ser soldadas a tope.
3. El anillo de goteo se extenderá hasta 75 mm (3”) más allá de la periferia exterior del anillo base,
girando 90º en el diámetro exterior.
200
Notas:
1. A = Tamaño del filete de la soldadura limitada a un máximo de 13 mm (1/2 pulg.) 2. A + B = Más fino de cáscaras o de espesor de la chapa inferior anular. 3. Ranura de soldadura B puede exceder el tamaño de filete A sólo cuando la placa
anular sea más gruesa que 25 mm (1 in.). Ilustración 81 Tomada de Standar API-650. Detalle de doble filete-ranura de soldadura para placas de
fondo anular con un espesor nominal superior a 13 mm (1/2 in).
Cuando se requiere el uso de la placa anular, ésta deberá tener un ancho radial (en cm.) de acuerdo a lo
que indique las fórmulas siguientes:
tb = espesor de la placa anular. (mm)
H = máximo nivel de líquido de diseño. (m)
G = diseño de la gravedad especifica del
líquido a almacenar.
tb = espesor de la placa anular. (in)
H = máximo nivel de líquido de diseño. (ft)
G = diseño de la gravedad especifica del
líquido a almacenar.
Tabla 53 Espesor mínimo de fondo y placa anular (milímetros)
Espesor Mínimo (mm) del Primer Anillo del Cuerpo
Esfuerzo Calculado para Prueba Hidrostática en el Primer Anillo del Cuerpo (Kg/cm2)
<1989 <2109 <2320 <2530
t < 19.05 6.35 6.35 7.14 8.73
09.05 < 25.4 6.35 7.14 9.52 11.11
25.4 < 31.75 6.35 8.73 11.91 14.28
31.75 < 38.10 7.93 11.11 14.28 17.46
38.10 < 44.45 8.73 12.7 15.87 19.05
Estos espesores están basados en una cimentación uniforme debajo de toda la placa anular.
Se deberán utilizar las placas más largas disponibles en el mercado, debido a que resultan ser más
económicas, se reduce al mínimo el uso de placas empleadas y la cantidad de soldadura a emplear. El
número de placas se determina como sigue:
201
Se pueden utilizar soldaduras de filete como se muestra en la siguiente Imagen 75 utilizando
soldaduras a tope.
Imagen A. Junta de “V” para placas.
Imagen B. Junta “U” para placas.
Imagen C. Junta doble “U” para placas.
Imagen D. Junta para caños con inserto
consumible.
Ilustración 82 Tipos de soldaduras de filete que pueden ser utilizadas.
7.7.4. Diseño del cuerpo.
El espesor de la pared por condición de diseño, se calcula con base al nivel del líquido, tomando la
densidad relativa del fluido establecido por el usuario. El espesor por condiciones de prueba hidrostática
se obtiene considerando el mismo nivel de diseño, pero utilizando la densidad relativa del agua.
Cuando sea posible, el tanque podrá ser llenado con agua para la prueba hidrostática, pero si esto no es
posible y el cálculo del espesor por condiciones de prueba hidrostática es mayor que el calculado por
condiciones de diseño, deberá usarse el obtenido por condiciones de prueba hidrostática. El esfuerzo
calculado de la carga hidrostática para cada anillo no deberá ser mayor que el permitido por el material y
su espesor no será menor que el de los anillos subsecuentes. El esfuerzo máximo permisible de diseño
(Sd) y de prueba hidrostática (St), se muestra en la tabla 50, son recomendaciones del API 650 en el
diseño de tanques de almacenamiento.
202
Tabla 54 Materiales más comunes y esfuerzos permisibles (Kg / cm2)
Esfuerzo en
Especificación Grado Punto de cedencia Tensión Diseño Prueba
A-283 C 2110 3870 1410 1580
A-285 C 2110 3870 1410 1580
A-131 A, B, CS 2390 4080 1600 1750
A-36 2530 4080 1630 1750
A-131 EH36 2580 4990 1200 2140
A-442 55 2110 3870 1410 1580
A-442 60 2250 4220 1500 1690
A-573 58 2250 4080 1500 1690
A-573 65 2460 4570 1640 1850
A-573 70 2950 4920 1970 2110
A-516 55 2110 3870 1410 1580
A-516 60 2250 4220 1500 1690
A-516 65 2460 4570 1640 1850
A-516 70 2670 4920 1780 2000
A-662 B 2810 4570 1830 1960
A-662 C 3020 4920 1970 2110
A-537 1 3510 4920 1970 2110
A-537 2 4220 5620 2250 2410
A-633 C, D 3510 4920 1970 2110
A-678 A 3510 4920 1970 2110
A-678 B 4220 5620 2250 2410
A-737 B 3510 4920 1970 2110
7.7.4.1. Calculo del cuerpo por método de un pie.
Con este método que se va a desarrollar se calculara el espesor del cuerpo del tanque bajo condiciones
de diseño y prueba hidrostática considerando una sección transversal ubicada 1 pie por debajo de la unión
de cada anillo. “aplica solo para tanques menores a 200 ft”.
En SI:
En US
td = Espesores por condiciones de diseño (mm o in).
tt = Espesor por prueba hidrostática (mm o in).
D = Diámetro nominal del tanque (cm o ft)
(El diámetro nominal del tanque se mide en la fibra media del
cuerpo)
H = Altura de diseño del nivel del líquido (cm o ft ).
(Altura desde la parte de baja del anillo considerado al perfil
de coronamiento, o cualquier nivel indicado por el usuario,
restringido por techos flotantes o cálculos por sismo.)
G = Densidad relativa del líquido a almacenar o del agua
para cálculo por prueba hidrostática.
203
CA = Corrosión permisible (mm o in).
Sd = Esfuerzo permisible por condiciones de diseño (Kg
/ cm2 o lb/in2).
St = Esfuerzo permisible por condiciones de prueba
hidrostática
(Kg / cm2 o lb/in2).
7.7.4.2. Calculo del cuerpo por método de punto variable.
Este método se utiliza cuando el diámetro del tanque es mayor a 200 ft y que cumpla con la siguiente
relación:
In SI
⁄ ⁄
In US
⁄
DONDE: L = (0.05 D t) 0.5 (cm o in). D = Diámetro nominal tanque (cm o ft). t = Espesor del anillo inferior (mm o in). H = Nivel de diseño del líquido (cm o in).
Se deberá calcular de primera mano el espesor del anillo con las fórmulas del método de un pie mostradas
en la sección anterior. Por condición de diseño (td) y el de prueba hidrostática (tt), después se determinan
los espesores del mismo anillo, para condiciones de diseño (tld) y de prueba hidrostática (tlt) de la
siguiente forma.
Espesor por condiciones de diseño:
(
√
)(
*
(
√
)(
*
Espesor por prueba hidrostática:
(
√
)(
*
(
√
)(
*
Dónde: td = Espesores por condiciones de diseño (mm). tt = Espesor por prueba hidrostática (mm).
204
D = Diámetro nominal del tanque (cm.)*. *(El diámetro nominal del tanque se mide en la fibra media del cuerpo)
H = Altura de diseño del nivel del líquido (cm.). (altura desde la parte de baja del anillo considerado al perfil de coronamiento, o cualquier nivel indicado por el usuario, restringido por techos flotantes o cálculos por sismo.)
G = Densidad relativa del líquido a almacenar o del agua para cálculo por prueba hidrostática. CA = Corrosión permisible (mm). Sd = Esfuerzo permisible por condiciones de diseño (Kg/cm2). St = Esfuerzo permisible por condiciones de prueba hidrostática (Kg/cm2) Para condiciones de diseño es necesario que tld no sea mayor que tlt y para condiciones de prueba
hidrostática es necesario que tlt no sea mayor que tt. Los cálculos para el segundo anillo se realizan de la
siguiente manera.
Dónde: h1 =Altura del anillo inferior (cm.). r = Radio nominal del tanque (cm.). t1 = Espesor del anillo inferior excluyendo la corrosión permisible (cm o in), usado para cálculo t2. Para calcular t2 por condiciones de prueba hidrostática se puede usar el espesor total t1 incluyendo la corrosión permisible. Si el valor de la relación es menor o igual que 1.375 entonces:
Si el valor de la relación es mayor o igual a 2.625 entonces.
Si el valor de la relación es mayor de 1.375 pero menor a 2.625 entonces.
(
*
Dónde: t2 = Espesor mínimo por condiciones de diseño del segundo anillo, descartando cualquier corrosión permisible (cm o in). t2a = Espesor del segundo anillo (cm o in) usado para calcular el espesor del siguiente anillo.
Estos cálculos se basan en el mismo esfuerzo permisible para el primer y segundo anillo, pero cuando la
relación supera 2.625 el esfuerzo permisible del segundo anillo puede ser menor que el usado en el
primero.
Para calcular los espesores de los anillos subsecuentes por condiciones de diseño y prueba hidrostática
cuando la relación sea mayor a 2.625, se tiene que determinar un valor (tu), usando la ecuación del
método de un pie y una distancia (X) que localiza el punto de diseño variable de la pared baja del anillo en
consideración, la que será calculada utilizando el valor obtenido de las siguientes ecuaciones:
205
tL = Espesor del anillo inferior a la junta circunferencial (mm o in) H = Nivel de diseño del líquido (cm o ft). En SI
En US
El espesor mínimo, es calculado por condiciones de diseño (tdx) y por condiciones de prueba hidrostática
(ttx), con las siguientes ecuaciones:
Espesor por condiciones de diseño:
(
)
(
)
Espesor por prueba hidrostática:
(
)
(
)
Los espesores obtenidos (tdx y ttx), serán usados para repetir los pasos descritos, igualando estos valores
a (tu), hasta que la diferencia de los espesores sea mínima, el espesor obtenido se iguala a (t2) para
calcular el espesor requerido por el siguiente anillo.
Nota: Repitiendo los pasos se localiza el punto de diseño con mayor exactitud y en consecuencia un
espesor más confiable y menor.
Dónde: tu = Espesor preliminar del anillo superior a la junta circunferencial (mm o in). C = [K0.5 (K – 1)] / (1 + K1.5) K = tL/tu
206
7.7.5. Techo.
Sin considerar el tipo de techo y método de soporte, estos serán diseñados para soportar una carga viva
de 1.76 Kg/cm2 (25 lb/pie2), más la carga muerta ocasionada por el mismo. La placa del techo tendrá un
espesor mínimo nominal de 4.7 mm (3/16 in). Un espesor mayor puede requerir de un mayor espesor y la
corrosión puede ser incluida al espesor calculado.
Todos los miembros estructurales internos y externos de techos soportados tendrán un espesor mínimo
nominal de 4.32 mm (0.17 pulg) en cualquier componente de estos. Las placas del techo se sujetarán al
ángulo superior del tanque (anillo de coronamiento), con un cordón de soldadura continuo sólo por la parte
superior, aunque éste sea soportado.
7.7.5.1. Techo cónico.
Los techos cónicos son empleados en tanques relativamente pequeños. Consiste en un cono formado de
placas soldadas a tope, además de confirmar que es capaz de sostenerse sin ningún elemento estructural
y únicamente soportado en su periferia por el perfil de coronamiento.
Estos techos son diseñados y calculados para tanques que no exceden de un diámetro de 60 ft, pero se
recomienda en la fabricación que solo sea hasta un diámetro máximo de 40 ft, y cualquier dimensión
mayor de las mostradas requiere el uso de una estructura capaz de soportar al techo.
Los techos cónicos auto soportados tendrán como máximo una pendiente de 9:12 (37°), y como mínimo
2:12 (9.5°), con respecto a la horizontal. El espesor estará determinado por la siguiente expresión, pero no
deberá ser menor de 4.76 mm. (3/16 pulg), y no mayor de 12.7 mm. (1/2 pulg.).
Dónde: Tt = Espesor mínimo requerido (cm o in). D = Diámetro medio del tanque (cm o in). θ = Ángulo con respecto a la horizontal (grados). C = Corrosión permisible. Para este tipo de techos, se recomienda un espesor de 4.76 a 9.52 mm (3/16 pulg a 3/8 pulg), y en base a
estos espesores se obtiene la pendiente más conveniente, dentro de las limitantes especificadas con
anterioridad, esto con la finalidad de que el techo no sea demasiado pesado y a su vez presente dificultad
para su fabricación. Por lo tanto.
207
7.7.5.2. Techo tipo domo.
Este tipo de techos se caracterizan por ser un casquete esférico (como en los recipientes a presión)
formado por placas soldadas a traslape o a tope. Son poco usuales (por el proceso de fabricación
laborioso) ya que cada placa y segmento tienen que formarse con el radio de abombado, incrementando
su costo y complejidad.
Los techos de tipo sombrilla son una variedad del tipo domo el cual solo conserva el abombado sobre el
eje vertical ya que sobre el eje circunferencial tiene semejanza con el tipo cónico. Las tapas por lo general
se fabrican a partir de gajos para facilitar el abombado de las placas.
Este tipo de tapas deberán estar diseñadas bajo los siguientes requerimientos:
⁄
Dónde: tt = espesor mínimo requerido no menor de 4.76 mm (3/16 in), pero no mayor de 12.7 mm (1/2 in). D = Diámetro nominal del cuerpo del tanque (cm o in). rr = radio de abombado del techo (cm o in) Radio mínimo rr = 0.8 D Radio máximo rr = 1.2 D
Cuando la suma de las cargas muertas más las cargas vivas exceda 220 Kg/cm2 (45 lb/pie2), el espesor
mínimo deberá ser incrementado en la relación mencionada más cualquier corrosión permisible, usando el
mismo procedimiento que para techos cónicos auto soportados.
7.7.5.2. Techo tipo cónicos soportados.
Este tipo de techo se usan generalmente para tanques de gran diámetro, los cuales consisten en un cono
formado a partir de placas soldadas a traslape, soportadas por una estructura, compuesta de columnas,
trabes y largueros. a pendiente del techo deberá ser de 6.35 en 304.8mm o en su caso por recomendación
de la norma de 19 en 305mm. (3/4 en 12 pulg.).
El diseño y cálculo de la estructura involucra los esfuerzos de flexión y corte, producidos por una carga
uniformemente repartida ocasionada por el peso de las placas del techo, trabes y largueros, por lo cual las
placas del techo se consideran vigas articuladas.
Las columnas se seleccionan a partir de perfiles estructurales o tubería de acero. Cuando se usa esta
última, debe proveerse ésta de drenes y venteos; la base de la misma será provista de topes soldados al
fondo para prevenir desplazamientos laterales.
Las uniones de la estructura deben estar debidamente ensambladas mediante tornillos, remaches o
soldadura, para evitar que las uniones puedan tener movimientos no deseados.
208
Ilustración 83 Detalles de anillos de refuerzo.
Detalle A
Detalle F
Detalle B Detalle C
Detalle D Detalle E
209
Detalle G
Detalle H
Detalle I Detalle K
ta = espesor del ángulo de la pierna. tb = espesor de la barra. tc = espesor de la carcasa. th = espesor de la placa del techo. ts = espesor de la placa engrosada con coraza. tf = ta más tc (ver Nota 4) Wc = Anchura máxima del caparazón = 0.6 (Rc t) ½ donde t = ta, tc, ts o tf si es aplicable
Wh = ancho máximo del techo = 0.3 (Rc t) ½ o 300 mm lo que sea menor Rc = radio interior del cuerpo del tanque. R2 = longitud de la tangente a la cubierta, medida desde la línea central vertical del tanque. = Rc / sin Ɵ Ɵ = ángulo entre el techo y la horizontal.
Notas 1. Todas las dimensiones y espesores son en mm (pulg.). 2. La dimensión B en detalles b, c, d, y e es: 0 ≤ B ≤ C. C es la dimensión de la fibra neutra del ángulo. 3. La longitud sin rigidizar del ángulo o la barra, Le, se limitará a 250tl (Fy)1/2 mm [3000T/(Fy) 1/2 en in], Donde Fy es la mínima prevista límite elástico, MPa (Lbf / pulg2) y t = ta o tb, según sea el caso. 4. Cuando los miembros están regazo soldadas al carcasas (consulte los detalles a, b, c, y g), tf se pueden utilizar en la fórmula Wc sólo para la medida de la superposición
210
7.7.6. Esfuerzos Permisibles.
7.7.6.1 Calculo por sismo.
Estos movimientos telúricos provocan dos tipos de reacciones sobre el tanque, las cuales son:
Cuando la alta frecuencia provoca un movimiento lateral del terreno sobre el que está situado el
tanque, la cantidad de líquido que el recipiente contiene, se mueve al unísono con el cuerpo del
tanque.
Cuando la baja frecuencia relativa amplificada provoca un movimiento de la masa del líquido
contenido, ocasionando oleaje dentro del tanque.
El movimiento lateral de las masas, genera fuerzas que actúan en el centro de gravedad del tanque,
ocasionando la inestabilidad, que multiplicado por el brazo de palanca respecto del fondo, originan un
momento de volcadura, produciendo una compresión longitudinal, provocando la deformación del cuerpo.
Por lo que el tanque será diseñado para resistir este fenómeno.
MOMENTO DE VOLTEO.
El momento de volteo deberá determinarse mediante la siguiente expresión, efectuando los cálculos
respecto a la base del tanque, por lo que la cimentación requiere de un diseño particular aparte.
Dónde: M = Momento de volteo (Kg − m). Z = Coeficiente sísmico I = Factor de rigidez = 1 para todos los tanques excepto cuando un incremento en este factor es especificado por el usuario. Se recomienda que este factor no exceda de 1.5 que es el máximo valor que se puede aplicar. C1, C2 = Coeficiente de fuerza lateral sísmica. Ws = Peso total del cuerpo del tanque (Kg.). Xs = Altura desde el fondo del cuerpo del tanque al centro de gravedad de este (m.). Wr = Peso total del techo del tanque más una carga viva especificada por el usuario (Kg.) Ht = Altura total del cuerpo del tanque (m.) W1 = Peso de la masa efectiva contenida en el tanque que se mueve al unísono con el cuerpo del tanque (Kg.) X1 = Altura desde el fondo del cuerpo del tanque al centroide de la fuerza lateral sísmica aplicada a W1 (m.). W2 = Peso efectivo de la masa contenida por el tanque que se mueve en el primer oleaje (Kg.). X2 = Altura desde el fondo del tanque al centroide de la fuerza sísmica lateral aplicada a W2 (m.).
Tabla 55 Zonas sísmicas
Zona Sísmica
Coeficiente Sísmico
A 0.1875
B 0.375
C 0.75
D 1.0
Ver ilustración 72 regionalización sísmica de la República Mexicana.
211
MASA EFECTIVA CONTENIDA EN EL TANQUE.
Las masas efectivas W1 y W2 se determinarán multiplicando WT por las relaciones W1/WT y W2/WT
respectivamente obtenidas de la gráfica de masa efectiva y de la relación D/H
Grafico 30 Masa efectiva.
Wt = Peso total del fluido del tanque (Kg.). D = Diámetro nominal del tanque (cm.) H = Altura de diseño del líquido (cm.)
Las alturas desde el fondo del tanque a los centroides de las fuerzas sísmicas laterales, aplicadas a W1 y
W2, (X1 y X2), se determinan multiplicando H por las relaciones X1/H y X2/H respectivamente obtenidas
de la gráfica centroide de la fuerza sísmica y de la relación D/H.
Grafico 31 Centroide de la fuerza sísmica.
COEFICIENTES DE FUERZAS LATERALES.
El coeficiente C1 de fuerza lateral será 0.24.
El coeficiente C2 de la fuerza lateral será determinado por la función del periodo natural T y las
condiciones del terreno donde se sitúa el tanque.
Cuando T < 4.5
C1 =0.3 S/T 1
Cuando T > 4.5
C2= 1.35 S /T2
Dónde: S = factor de amplificación Tabla factor de amplificación del lugar.
212
T = periodo natural de la ondulación en segundos = L D0.5. K = factor determinado en la Grafica valor del factor K. y la relación D/H.
Los terrenos se clasifican en tres tipos, de acuerdo con su rigidez.
I) Terrenos firmes; como tepetate, arenisca medianamente cementada, arcilla muy compacta o suelo
con características similares.
II) Suelo de baja rigidez; como arenas no cementadas o limos de mediana o alta compacidad, arcillas
de mediana compacidad o suelos de características similares.
III) Arcillas blandas muy compresibles.
Tabla 56 Factor de amplificación del lugar.
Tipo de Suelo
Factor de Amplificación
I 1.0
II 1.0
III 1.5
Grafico 32 Valor del factor K
RESISTENCIA A LA VOLCADURA
La resistencia al momento de volcadura respecto del fondo del tanque podrá ser prevenido por el peso del
cuerpo del tanque y mediante anclaje.
Para tanques sin anclaje, el peso de la porción del líquido contenido puede ser usado para resistir la
volcadura.
√( )
Siempre y cuando WL no exceda 0.000186 GHD.
Dónde: WL = peso máximo del líquido contenido en el tanque que puede ser usado para resistir la volcadura (Kg − m), de la circunferencia del cuerpo. Tb = espesor de la placa del fondo bajo el tanque (cm.).
213
Fby = esfuerzo mínimo de cedencia especificado del fondo (Kg/cm2). G = Densidad relativa del líquido.
El espesor de la placa del fondo bajo el cuerpo Tb, no debe exceder el espesor del primer anillo, el cual
siempre será mayor.
7.7.6.2 Calculo por viento.
Todos los tanques de almacenamiento se diseñarán y calcularán para lograr una estabilidad total. El
momento de volteo producido por la constante carga del viento, la cual deberá ser considerada de por lo
menos 146 Kg/m2 (30lb/pie2) en la superficie del plano vertical, 88 Kg/m2 (18 lb/pie2), en las áreas
proyectadas de las superficies del cilindro y 73 Kg/m2 (15 lb/pie2) en áreas proyectadas de superficies
cónicas y doble curvadas. Lo que se determina en base a una velocidad de viento de 161 Km/h (100 mph).
En el caso de que el tanque se localice en una zona geográfica con una velocidad mayor, se ajustarán las
presiones multiplicando el valor especificado por el resultado de la siguiente relación:
(
)
Dónde: V = velocidad del viento (Km/h). MOMENTO DE VOLTEO.
El momento de volteo producido por el viento se considera una carga uniformemente repartida sobre una
viga empotrada en un extremo, por lo que el momento será igual a:
Dónde: M = Momento de volteo (Kg/m). Pv = Presión de viento (Kg/m2) Dmáx. = Diámetro exterior del tanque incluyendo líneas de tuberías (m.) HT = altura total del tanque incluyendo el techo (m.)
Para tanques que no estén anclados, el momento de volteo por presión de viento no debe exceder de la
siguiente expresión:
(
*
Dónde: W = Peso muerto del tanque disponible para resistir el levantamiento (Kg.), menos cualquier corrosión permisible, menos simultáneamente el levantamiento por condiciones de presión interna sobre el techo. D = diámetro nominal del tanque (m.)
Cuando la relación anterior sea menor o igual al momento de volteo, se tendrá que anclar el tanque. La
carga de tensión de diseño para cada ancla, se determinará como sigue:
214
(
* (
*
Dónde: tB = Carga de tensión por ancla (Kg). d = diámetro del círculo de anclas (m). N = número de anclas. Las anclas deben estar espaciadas a un máximo de 3,048mm. (10 pies).
7.7.7. Anillos de refuerzo inicial e intermedios.
Los anillos de refuerzo, son perfiles estructurales o secciones formadas de placa o combinaciones de
éstos, pueden ser circulares o poligonales. El estándar mínimo del perfil a usar en estos tipos de
componentes en la construcción de los anillos de refuerzo son: 64 x 64 x 6.35mm. (2 ½ * 2 ½ * ½ pulg.), y
el mínimo espesor nominal de las placas para formar anillos de refuerzo es de 6.35mm. (1/4 pulg.).
Cuando se coloque un anillo de refuerzo a más de 610mm. (2 pies) por debajo de la parte superior del
cuerpo, el tanque deberá estar provisto con un ángulo de coronamiento de 64 x 64 x 4.76 mm. (2 ½ x 2 ½
x 3/16 pulg.), en cuerpos de un espesor de 4.76mm. (3/16 pulg.), y para cuerpos de mayor espesor, 76 x
76 x 6.35mm. (3 x 3 x 1/4 pulg.), o cualquier otro perfil con módulo de sección equivalente.
El módulo de sección mínimo para anillo de refuerzo deberá determinarse por la siguiente ecuación,
basada en una velocidad del viento del 161 Km/h (100mph), y en el caso de que dicha velocidad en el
lugar de instalación fuese mayor, la ecuación se multiplicará por la relación (v/161)2.
Dónde: Z = módulo de sección requerido (cm3) D = diámetro nominal del tanque (cm) H = altura del cuerpo del tanque (cm)
Para el módulo de sección requerido puede incluirse al aporte de la pared del tanque, que será de 16
veces el espesor del cuerpo, en ambos sentidos para anillos de coronamiento soldados a tope con el
cuerpo, dicha distancia incluirá el patín del perfil, como se presenta en la Ilustración 78.
Ilustración 84 Secciones típicas de anillos atiesadores.
Detalle A
Detalle B
Detalle C
215
Detalle D
Detalle E
Nota: el modulo de sección sera calculado tomando en cuenta la seccion transversal mostrada
en los detales.
La máxima distancia entre anillos de refuerzo es determinada por la siguiente ecuación:
√(
*
Dónde: H1 = distancia vertical entre anillos intermedio o el perfil de coronamiento (cm). t = espesor del anillo superior (cm) D = diámetro nominal del tanque (cm)
Después la altura del cuerpo se transformará como sigue:
Cambiando el ancho actual de cada anillo del cuerpo por un ancho transpuesto en base al espesor
del último anillo del tanque.
√(
*
Dónde: Wtr = ancho transpuesto de cada anillo (cm) W = ancho actual de cada anillo del cuerpo (cm) t uniforme. = espesor del anillo superior del cuerpo (cm) t actual = espesor del anillo, para el cual el ancho transpuesto ha sido calculado (cm)
La suma de todos los anchos traspuestos de cada anillo será la altura transformada del cuerpo
(Htr.)
El número de anillos requeridos y la separación entre los mismos, podrá ser determinado conforme
a las siguientes expresiones:
Dónde: n = Número aproximado de anillos.
216
N = Número real de anillos, igual o mayor a n. htr = separación transformada entre anillos, correspondiente a un anillo real en la relativa posición del cuerpo transformado y usando la expresión de transformación podremos determinar la elevación actual sobre ese anillo. Los refuerzos intermedios se instalarán en el tanque a una distancia mayor de 152mm. (6 pulg.)
Adyacentes a la junta circunferencial, pero siempre conservando la máxima separación entre los anillos. El
módulo de sección para los refuerzos se determinará por la siguiente expresión:
Dónde: Z = Módulo de sección requerido (cm3) D = Diámetro nominal del tanque (cm) H1 = Distancia vertical entre anillos de refuerzo (cm)
7.7.8. Anclaje del tanque.
TANQUES NO ANCLADOS.
Para tanques sin anclaje la fuerza máxima de compresión en el fondo del cuerpo, puede determinarse
mediante lo siguiente:
Cuando:
[ ]
Cuando
[ ]
b puede ser calculada del valor obtenido a partir de la gráfica fuerza de compresión.
Grafico 33 Fuerza de compresión.
Cuando:
[ ]
217
(
*
Dónde: b = fuerza máxima de compresión en el fondo del cuerpo (Kg/m) en la circunferencia del cuerpo) Wt = peso del cuerpo del tanque y la porción de techo soportado por el techo (Kg). Por metro de circunferencia del cuerpo).
Cuando
[ ]
El tanque es estructuralmente inestable.
Cuando el tanque necesite ser anclado, la fuerza máxima de compresión longitudinal en el fondo del
cuerpo, será determinada por:
(
*
218
Capitulo VIII. Conclusiones
A manera de conclusión podemos decir que:
Este manual contiene os requisitos mínimos para poder seleccionar un equipo de bombeo para un sistema
específico “cualquiera que este sea”, ya que contiene información clara y precisa de los cálculos
necesarios para poder determinar de forma adecuada un sistema de bombeo, pasando desde la bomba,
hasta la tubería y equipos.
Tomando en consideración que:
Las curvas características presentadas por los fabricantes, son obtenidas en bancos de pruebas,
bombeando agua limpia a temperatura ambiente, por lo tanto:
La curva (Q v/s H), representa la energía entregada expresada en altura.
La curva de (Q v/s NPSHr), representa la energía requerida en la succión de la bomba.
La curva de (Q v/s ᵑ), y la curva de (Q v/s P), representan los rendimientos y potencias consumidas
por la bomba, cuando trabaja con agua.
Para el bombeo de fluidos con viscosidades diferente a la del agua, es necesario realizar una corrección a
estas curvas para esta nueva condición de trabajo.
En cuanto al punto de operación, existen diversas formas de modificarlo o mover el punto de encuentro
de las curvas de una bomba y de sistema, un ejemplo claro de eso modificar cerrando parcialmente la
válvula en la descarga aumentando la perdida de caga; lo que hace que la curva de sistema se mueva
hacia la izquierda.
Existen algunas otras formas de modificar este punto de trabajo u operación; por ejemplo variando las
presiones de los depósitos, cambio en el diámetro de las tuberías, agregando quitando accesorios en las
líneas de tuberías. Una forma más efectiva es variar la velocidad de rotación de la bomba o modificar
diámetro del rodee. En este último caso debemos utilizar las leyes de afinidad de las bombas para hacer
las correcciones en las curvas de la bomba.
Para la reducción del costo y dimensiones de una bomba, se suelen utilizar velocidades de rotación
elevadas, esto aumenta la probabilidad de riesgo de cavitación, Para reducir efectos de cavitación en los
equipos de bombeo el parámetro de la velocidad de rotación debe de ser tomado en cuenta.
Dar preferencia a los cas de asociación de bombas, ya sea en paralelo o en serie. Las bombas iguales
tienen una mejor facilidad de mantenimiento y operación.
Se debe de tomar en cuenta que el tipo de motor debe de cumplir con todos los puntos de trabajo posibles
en el sistema.
219
Tomar en cuenta que una mala caracterización de la naturaleza del fluido a bombear es un factor de
riesgo para determinar las dimensiones de sistema, por lo que es necesario que esto se tome en cuenta al
momento de realizar a caracterización del sistema.
Uno de los más importantes es la viscosidad, este factor hace que una bomba crezca en dimensiones, por
lo que una bomba reciprocante puede ser la mejor opción para este tipo de fluidos en comparación con
una bomba centrifuga.
El uso de gráficas para obtener los factores de corrección tiene varias limitaciones, por ejemplo: no poder
extrapolar valores, no pueden utilizarse en cualquier tipo de rodete más que en los abierto o cerrados.
220
ANEXOS
221
Anexo 1 Hoja de datos de una Bomba.
222
Anexo 2 Perdidas de carga en accesorios
223
Anexo 3 Grafico para determinar la escala de viscosidad
224
Anexo 4 Factores de corrección para líquidos viscosos.
225
Anexo 5 Potencias transmitidas por las correas planas en función del diámetro de la polea
pequeña y su velocidad.
226
Anexo 6 Detalle de Fabricación e Instalación de soporteria para tuberías.
5DA “paro direccional para tubería con/sin zapata” para tubería de 3" a 8" D.N.
Tabla I: Material
Marca No.
Descripción Tipo Cant. Req.
① Perfil de 102 x 15.6 (mm x Kg/m), acero al carbón ASTM A-36 de 100 mm de longitud (ver nota 1)
5DA 2
Notas de fabricación:
1. Ajustar en campo, para igualar el radio con el diámetro exterior de la tubería
2. Cortar como se indica, para tubería de 3" y 4" de diámetro
3. Ver detalle 5SPA1 o 5SPA2 (cuando aplique)
227
4. Todas las dimensiones están en milímetros
5. Se dejarán 3 mm de holgura a menos que se indique otra dimensión en el isométrico
6. Se deberán tomar las precauciones y variables necesarias para obtener una soldadura adecuada de
acuerdo a los procedimientos de soldadura aplicables
5SP T “Placa de Deslizamiento” para tubería de 6" a 54" D.N.
Tabla I: Dimensiones de Placa Deslizante
Ø Tub. “A” “B” “C” 5SPTC “C”5SPTS “C” 5SPTL “D” “E”
6" 120 140 200 400 650 40 40
8" 120 140 200 400 650 40 40
10" 180 200 200 400 650 40 70
12" 180 200 200 400 650 40 70
14" 230 250 200 400 650 60 85
228
16" 230 250 200 400 650 60 85
18" 280 300 200 400 650 80 100
20" 330 350 200 400 650 45 80
22" 330 350 200 400 650 45 80
24" 330 350 200 400 650 45 80
30" 480 500 200 400 650 45 130
36" 480 500 200 400 650 45 130
42" 580 600 200 400 650 65 150
48" 580 600 200 400 650 65 150
54" 680 700 200 400 650 70 180
Tabla II: Material
Marca No.
Ø Tubería
Descripción Tipo Cant. Req.
①
6"-54" Placa de teflón de 2.3 x 80 x “A” mm, (T.F.E. 25% Glass Filled), adherida a una placa de acero al carbón ASTM A-36, de 3.18 (1/8") x 100 x “B” mm
5SPT* 1
6"-54" Placa de acero inoxidable tipo 304 calibre 14 (1.905 mm) x 80 x “A”, fijada con puntos de soldadura a una placa de acero al carbón ASTM A-36, de 8 (5/16") x 100 x “B” mm
5SPT* 1
②
6"-54" Placa de acero inoxidable tipo 304, 5(3/16") de “C” x “D” mm (ver nota 3)
5SPT* 1
6"-54" Placa de acero inoxidable tipo 304, 5(3/16") de “C” x “D” mm (ver nota 3)
5SPT* 1
③
6"-54" Placa de teflón de 2.3 (3/32") x 80 x “A” mm, (T.F.E 25% Glass Filled)
5SPT* 1
6"-54" Placa de teflón de 2.3 (3/32") x 80 x “A” mm, (T.F.E 25% Glass Filled)
5SPT* 1
Notas de Fabricación:
1. La placa deslizante deberá estar limpia y libre de escoria y/o rebaba de la soldadura al terminar la
instalación
2. Para temperatura mayor a 200°C se empleará placa de acero inoxidable en vez de teflón en el
ensamble de la parte inferior (marca ①)
3. El material de acero inoxidable empleado, deberá tener un acabado a espejo (No.8)
4. No pintar las placas deslizantes
5. No cubrir con aislamiento las placas deslizantes
6. Permitir el libre desplazamiento entre las placas deslizante y la zapata para tubería (no deberá existir
unión adherible ni soldable entre estas)
7. La placa de teflón deberá tener una resistencia mínima a la compresión de 140 Kg/cm2
8. El uso de este soporte requiere la aprobación del ingeniero de análisis de esfuerzos (para ser utilizada
en las cercanías a equipos rotatorios y/o sensibles, tales como compresores, bombas, turbinas, etc.
9. Todas las dimensiones están en milímetros
10. Las dimensiones deberán ser confirmadas por el proveedor
229
5S5 “Zapata pre-instalada para tubería caliente” para tubería de 1" a 36" D.N.
Tabla I: Altura de soporte de acuerdo a espesor de aislamiento
Ø Tub.
Altura de soporte “H” (mm)
Espesor de aislamiento “e” (pulg)
1" 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8
2" 100 100 100 100 150 150 150 150 200 200 - - - - -
3" 100 100 100 100 150 150 150 150 200 200 200 - - - -
4" 100 100 100 100 150 150 150 150 200 200 200 200 - - -
6" 100 100 100 100 150 150 150 150 200 200 200 200 - - -
8" 100 100 100 150 150 150 150 150 200 200 200 200 250 - -
10" 100 100 100 150 150 150 150 150 200 200 200 200 250 250 -
12" 100 100 100 150 150 150 150 150 200 200 200 200 250 250 300
14" 100 100 100 150 150 150 150 150 200 200 200 200 250 250 300
16" 100 100 150 150 150 150 200 200 200 200 250 250 250 250 300
18" 100 100 150 150 150 150 200 200 200 200 250 250 250 300 300
20" 100 100 150 150 150 150 200 200 200 200 250 250 250 300 300
22" 100 100 150 150 150 150 200 200 200 200 250 250 250 300 300
24" 100 100 150 150 150 150 200 200 200 200 250 250 250 300 300
30" 100 150 150 150 150 150 200 200 200 200 250 250 250 300 300
36" 100 150 150 150 150 150 200 200 200 200 250 250 250 300 300
Tabla II: Material
Marca No.
Descripción
① Aislante de silicato de calcio ASTM C533 tipo I, e insertos de material silicato de calcio ASTM C656 tipo I grado 3 o equivalente (60 lb/ft3)
② Zapata conformada por placas de acero al carbono ASTM A36 acabado en galvanizado por inmersión en caliente
Notas de fabricación:
1. Imprimir el No. de etiqueta de ensamble de la zapata con letra de 6 mm de altura en el centro del
mismo y a 13 mm del borde superior (por proveedor).
230
2. Todo el material del ensamble mostrado, será suministrado por el proveedor del soporte
3. El aislamiento especial para el soporte e instalación de la zapata, se colocará a todo lo largo de la
misma más 38 mm adicionales en cada extremo, teniendo una longitud final de:
Zapata corta= 325
Zapata estándar= 575
Zapata larga= 825
4. La placa deslizante deberá estar limpia de escoria y/o rebaba de la soldadura al terminar la instalación
5. El material de acero inoxidable será tipo 304 y deberá tener un acabado 2B
6. La placa de teflón deberá tener una resistencia mínima a la compresión de 140 Kg/cm2 y debe ser
adherida a una placa de respaldo de acero al carbón
7. Todas las dimensiones están en milímetros
5BS “Soporte de pie” para tubería de 3" a 42" D.N.
231
232
Tabla I: Materiales
Código Marca
No. Descripción
Cant. Req.
5BS1 Línea
3"-10" ø
① Tubo de 3" ø de material y cedula de acuerdo con la tubería a soportar, 8ver notas 1, 3 y 6)
1
② Tubo de 4" ø de acero al carbón, Ced. 40 x 230 mm de longitud 1
③ Placa de acero al carbón ASTM A-36, de 13 x 175 x 175 mm 1
④ Placa de acero al carbón ASTM A-36, de 13 mm de espesor x 135 mm ø 1
⑤ Placa de acero al carbón ASTM A-36, de 13 x 275 x 275 1
⑥ Perno de expansión Hilti Kwik Bolt 3, de acero al carbón, con acabado galvanizado, de 16 x 121 mm, (ø x longitud)
4
5BS2 Línea
12"-24" ø
① Tubo de 6" ø de material y cedula de acuerdo con la tubería a soportar, (ver notas 1, 3 y 6)
1
② Tubo de 8" ø de acero al carbón, Ced. 40 x 230 mm de longitud 1
③ Placa de acero al carbono ASTM A-36, de 13 x 275 x 275 mm 1
④ Placa de acero al carbón ASTM A-36, de 13 mm de espesor x 240 mm ø 1
⑤ Placa de acero al carbón ASTM A-36, de 13 x 375 x 375 mm 1
⑥ Perno de expansión Hilti Kwik Bolt 3, de acero al carbón, con acabado galvanizado, de 16 x 121 mm, (ø x longitud)
4
5BS3 Línea
26"-30" ø
① Tubo de 10" ø de material y cedula de acuerdo con la tubería a soportar, (ver notas 1,3 y 6)
1
② Tubo de 12" ø de acero al carbón, Ced. STD x 230 mm de longitud 1
③ Placa de acero al carbón ASTM A-36, de 13 x 375 x 375 mm 1
④ Placa de acero al carbón ASTM A-36, de 13 mm de espesor x 350 mm ø 1
⑤ Placa de acero al carbón ASTM A-36, de 13 x 475 x 475 mm 1
⑥ Perno de expansión Hilti Kwik Bolt 3, de acero al carbón, con acabado galvanizado, de 19 x 178 mm, (ø x longitud)
4
5BS4 Línea
32"-42" ø
① Tubo de 16" ø de material y cedula de acuerdo con la tubería a soportar, (ver notas 1,3 y 6)
1
② Tubo de 18" ø de acero al carbón, Ced. STD x 230 mm de longitud 1
③ Placa de acero al carbón ASTM A-36, de 19 x 510 x 510 mm 1
④ Placa de acero al carbón ASTM A-36, de 19 mm de espesor x 480 mm ø 1
⑤ Placa de acero al carbón ASTM A-36, de 19 x 610 x 610 mm 1
⑥ Perno de expansión Hilti Kwik Bolt 3, de acero al carbón, con acabado galvanizado, de 19 x 178 mm, (ø x longitud)
4
Notas de Fabricación:
1. Biselar, cortar y colocar el soporte a la longitud indicada en el isométrico, el tubo se centrará en la
placa base
2. Se colocará “Grout” para nivelar la superficie en áreas donde se tena piso terminado de concreto o
asfalto (espesor de 25 mm mínimo y de 50 mm máximo)
3. El material para los muñones y su cedula deberá ser de la misma clase de la tubería a soportar
(material reportado en el isométrico de las tuberías)
4. Se podrá instalar en taller una parte del muñón de este soporte, como se indica en el dibujo de
instalación
5. El tamaño de la soldadura “a” deberá ser del espesor de la parte más delgada a unir
6. La dimensión “L” (longitud del muñón) será indicada en el isométrico de tuberías, la altura “H” será de
305 + (1/2 ø) mm mínimo y de 1220 mm máximo medida del punto de apoyo al centro de línea
7. Si la superficie de fijación es de acero, omitir las marcas ⑤ y ⑥
233
8. Todas las dimensiones están en milímetros
5BSA “Soporte de pie, ajustable” para tubería de 2" a 24" D.N.
234
Tabla I: Dimensiones generales
Ø Tubería
Arreglo General Tornillo ③ Ø
Tubería “A” “B” “C” Ø “D” Ø “d” “H”
(Max.) Ø “E”
Long. “F”
2" 200 75 10 2" 22 500 19 140 2"
2 ½" 200 75 10 2" 22 500 19 140 2 ½"
3" 300 100 13 3" 22 700 19 140 3"
4" 300 100 13 3" 22 700 19 140 4"
6" 300 100 16 4" 22 800 19 140 6"
8" 300 100 16 6" 28 900 25 140 8"
10" 300 100 16 6" 28 900 25 140 10"
12" 300 140 16 6" 28 900 25 140 12"
14" 350 140 19 10" 35 1000 32 150 14"
16" 350 140 19 10" 35 1000 32 150 16"
18" 350 140 19 10" 35 1000 32 150 18"
20" 400 145 25 12" 35 1200 32 150 20"
24" 400 145 25 12" 35 1200 32 150 24"
Tabla I: Materiales
Marca No.
Descripción Cant. Req.
① Tubo de ø=”D”, material de la misma clase de la línea a soportar (ver notas 1,2,3,6 y tabla I)
1
② Placa de acero al carbón, ASTM A-36, de “A” x “A” x “C” (mm) (ver tabla I) 1
③ Tornillo de cabeza hexagonal, ø=”E”, longitud=”F”, en acero al carbón ASTM A307 GR B, Serie UNC, roscado completo (ver tabla I)
4
④ Tuerca hexagonal, ø=”E”, en acero al carbón ASTM A307 GR B, serie UNC (ver nota 7 y tabla I)
8
Notas de Fabricación:
1. Biselar, cortar y colocar el soporte a la longitud indicada en el isométrico, el tubo se centrará en la
placa base
2. El material para los muñones deberá ser de la misma clase de la tubería a soportar (material reportado
en isométrico)
3. Se podrá instalar en taller una parte de este soporte, como se indica en el dibujo de instalación
4. El tamaño de la soldadura “a” deberá ser del espesor de la parte más delgada a unir
5. El tamaño de la soldadura “b” será de 3 mm para soportes de 3" y menores o de 6 mm para soportes
de 4" y mayores
6. La dimensión “L” (longitud del muñón) será indicada en el isométrico de tuberías, para la altura “H
Max.” Ver la tabla I
7. Las tuercas inferiores deberán ser soldadas a la placa base
8. Usar este soporte de pie ajustable en las líneas de succión y descarga de bombas
9. Soportes de pie ajustable para líneas mayores a 24" requieren de un diseño especial
10. Todas las dimensiones están en milímetros
235
5AR2 “Soporte para tubería sobre recipiente” para tubería de 24" D.N. y menores.
236
Tabla I: Dimensiones en perfiles
Código
Dimensión (mm)
“G” “H” “J” “d” “D”
5AR2-1 45 31 45 13 16
5AR2-2 60 42 60 13 16
5AR2-3 57 95 60 16 19
5AR2-4 57 146 90 19 22
5AR2-5 57 157 90 22 25
Tabla II: Cargas permisibles en el soporte (ver notas 2,3 y 4)
Código
Carga vertical permisible (Kg) a la longitud indicada Longitud “B” (mm)
400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
5AR2-1 1592 1280 1068 914 800 712 640 582 534 492 456 426
5AR2-2 2600 2080 1732 1486 1300 1154 1040 944 866 800 742 692
5AR2-3 3368 2694 2224 1924 1684 1496 1346 1224 1122 1036 962 898
5AR2-4 5182 4146 3454 2960 2590 2302 2072 1884 1726 1594 1480 1382
5AR2-5 8036 6428 5356 4592 4018 3570 3214 2922 2678 2472 2296 2142
Tabla III: Materiales
Código Marca Descripción de Material Cant. Req.
5AR2-1
1 Perfil LI de 76 x 6 mm, de acero al carbón ASTM A-36, “B” + “C” + 134 (mm) de longitud
2
2 Perfil LI de 76 x 6 mm, de acero al carbón ASTM A-36, 2 “C” + 152 (mm) de longitud
1
3 Perfil LI de 76 x 6 mm, de acero al carbón ASTM A-36, 1.414 “B” + 92 (mm) de longitud
2
4 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 10 x 40 x 75 (mm) 2
5 Tornillo de cabeza hexagonal, acero al carbón ASTM A-325, acabado galvanizado, con tuerca y arandela de presión, 13 ø x 76 mm (1/2" x 3"), cuerda corrida, rosca estándar serie UNC
8
5AR2-2
1 Perfil LI de 102 x 10 mm, de acero al carbón ASTM A-36, “B” + “C” + 160 (mm) de longitud
2
2 Perfil LI de 102 x 10 mm, de acero al carbón ASTM A-36, 2 “C” + 204 (mm) de longitud
1
3 Perfil LI de 102 x 10 mm, de acero al carbón ASTM A-36, 1.414 “B” + 110 (mm) de longitud
2
4 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 10 x 60 x 100 (mm) 2
5 Tornillo de cabeza hexagonal, acero al carbón ASTM A-325, acabado galvanizado, con tuerca y arandela de presión, 13 ø x 76 mm (1/2" x 3"), cuerda corrida, rosca estándar serie UNC
8
5AR2-3
1 Perfil CE de 152 x 19.35 (mm x Kg/m), de acero al carbón ASTM A-36, “B” + “C” + 160 (mm) de longitud
2
2 Perfil LI de 102 x 10 mm, de acero al carbón ASTM A-36, 2 “C” + 110 (mm) de longitud
1
3 Perfil LI de 102 x 10 mm, de acero al carbón ASTM A-36, 1.414 “B” + 80 (mm) de longitud
2
4 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 10 x 40 x 150 (mm) 2
237
5 Tornillo de cabeza hexagonal, acero al carbón ASTM A-325, acabado galvanizado, con tuerca y arandela de presión, 16 ø x 76 mm (5/8" x 3"), cuerda corrida, rosca estándar serie UNC
8
6 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 6 x 120 x 200 (mm) 2
7 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 6 x 100 x 150 (mm) (ver nota 5) 2
5AR2-4
1 Perfil CE de 203 x 27.90 (mm x Kg/m), de acero al carbón ASTM A-36, “B” + “C” + 160 (mm) de longitud
2
2 Perfil LI de 102 x 10 mm, de acero al carbón ASTM A-36, 2 “C” + 128 (mm) de longitud
1
3 Perfil LI de 152 x 10 mm, de acero al carbón ASTM A-36, 1.414 “B” + 100 (mm) de longitud
2
4 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 10 x 50 x 200 (mm) 2
5 Tornillo de cabeza hexagonal, acero al carbón ASTM A-325, acabado galvanizado, con tuerca y arandela de presión, 19 ø x 76 mm (3/4" x 3"), cuerda corrida, rosca estándar serie UNC
8
6 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 6 x 170 x 300 (mm) 2
7 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 6 x 150 x 200 (mm) (ver nota 5) 2
5AR2-5
1 Perfil CE de 254 x 44.64 (mm x Kg/m), de acero al carbón ASTM A-36, “B” + “C” + 210 (mm) de longitud
2
2 Perfil LI de 152 x 10 mm, de acero al carbón ASTM A-36, 2 “C” + 154 (mm) de longitud
1
3 Perfil LI de 152 x 10 mm, de acero al carbón ASTM A-36, 1.414 “B” + 100 (mm) de longitud
2
4 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 10 x 60 x 250 (mm) 2
5 Tornillo de cabeza hexagonal, acero al carbón ASTM A-325, acabado galvanizado, con tuerca y arandela de presión, 22 ø x 76 mm (7/8" x 3"), cuerda corrida, rosca estándar serie UNC
8
6 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 6 x 170 x 300 (mm) 2
7 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 6 x 150 x 250 (mm) (ver nota 5) 2
Notas de Fabricación:
1. Todas las dimensiones están en milímetros
2. Para seleccionar el código, utilizar la tabla II
3. La carga lateral permisible, será un 30% de la carga vertical indicada en la tabla II
4. Si existen cargas o condiciones diferentes a las indicadas en la tabla II, consultar al especialista de
análisis de esfuerzos para determinar el tipo de perfil a usar
5. La placa atiesadora, marca ⑦, para los códigos 3, 4 y 5 deberá ser material de desperdicio
6. Los datos de la tabla IV son específicos para cada recipiente y tubería
7. Indicar en los perfiles el número de identificación del soporte con letra de 50 mm de altura a base de
pintura visible
8. Este soporte solo podrá ser usado con la aprobación del área de análisis de esfuerzos
238
5GR2 “Guía para tubería sobre recipiente” para tubería de 24” D.N. y menores.
239
Tabla I: Dimensiones de perfiles
CODIGO DIMENCIÓN (mm)
“M” “N” “P” “Q” “R” “d” “D”
5GR2-1 152 76 74 150 112 13 16
5GR2-2 178 94 82 194 138 13 16
5GR2-3 228 114 112 214 163 16 19
5GR2-4 279 140 138 240 189 19 22
5GR2-5 330 165 163 315 239 22 25
Tabla II: Dimensión “T”
Ɵ TUB VERTICAL
(in)
Dimensión (mm)
“T”
3 10
4
6 13
8
10
12
14
16
18 16
20
24
Tabla III: Carga permisible en la guía (ver notas 2 y 3)
CODIGO Carga lateral máxima (KG) a la longitud indicada Longitud “B” (mm)
400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
5GR2-1 360 288 240 206 180 160 144 130 120 110 102 96
5GR2-2 584 468 390 334 292 260 234 212 194 180 166 156
5GR2-3 808 646 538 460 404 358 322 292 268 248 230 214
5GR2-4 1244 994 828 710 622 552 496 452 414 382 354 330
5GR2-5 2050 1640 1366 1172 1024 912 820 746 684 630 586 546
Tabla IV: Materiales
Código Marca Descripción de Material Cant. Req.
5GR2-1
1 Perfil LI de 76 x 6 mm, de acero al carbón ASTM A-36, “B” + “C” + 156 (mm) de longitud
2
2 Perfil L L de 76 x 6 mm, de acero al carbón ASTM A-36, 2 “C” + 172 (mm) de longitud
2
3 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 10 x 100 x 228 (mm) 2
4 Placa de acero al carbón ASTM A-36, “T” x “E” x 224 (mm) 4
5 Tornillo de cabeza hexagonal, acero al carbón ASTM A-325, acabado galvanizado, con tuerca y arandela de presión, 13 ø x 76 mm (1/2" x 3"), cuerda corrida, rosca estándar serie UNC
4
5GR2-2 1 Perfil LI de 102 x 10 mm, de acero al carbón ASTM A-36, “B” + “C” + 182 (mm) de longitud
2
240
2 Perfil L L de 102 x 10 mm, de acero al carbón ASTM A-36, 2 “C” + 224 (mm) de longitud
2
3 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 10 x 100 x 254 (mm) 2
4 Placa de acero al carbón ASTM A-36, “T” x “E” x 276 (mm) 4
5 Tornillo de cabeza hexagonal, acero al carbón ASTM A-325, acabado galvanizado, con tuerca y arandela de presión, 13 ø x 76 mm (1/2" x 3"), cuerda corrida, rosca estándar serie UNC
4
5GR2-3
1 Perfil CE de 152 x 19.35 (mm x Kg/m), de acero al carbón ASTM A-36, “B” + “C” + 182 (mm) de longitud
2
2 Perfil L L de 102 x 10 mm, de acero al carbón ASTM A-36, 2 “C” + 130 (mm) de longitud
2
3 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 10 x 100 x 304 (mm) 2
4 Placa de acero al carbón ASTM A-36, “T” x “E” x 326 (mm) 4
5 Tornillo de cabeza hexagonal, acero al carbón ASTM A-325, acabado galvanizado, con tuerca y arandela de presión, 16 ø x 76 mm (5/8" x 3"), cuerda corrida, rosca estándar serie UNC
4
5GR2-4
1 Perfil CE de 203 x 27.90 (mm x Kg/m), de acero al carbón ASTM A-36, “B” + “C” + 182 (mm) de longitud
2
2 Perfil L L de 102 x 10 mm, de acero al carbón ASTM A-36, 2 “C” + 148 (mm) de longitud
2
3 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 10 x 100 x 355 (mm) 2
4 Placa de acero al carbón ASTM A-36, “T” x “E” x 378 (mm) 4
5 Tornillo de cabeza hexagonal, acero al carbón ASTM A-325, acabado galvanizado, con tuerca y arandela de presión, 19 ø x 76 mm (3/4" x 3"), cuerda corrida, rosca estándar serie UNC
4
5GR2-5
1 Perfil CE de 254 x 44.64 (mm x Kg/m), de acero al carbón ASTM A-36, “B” + “C” + 232 (mm) de longitud
2
2 Perfil L L de 152 x 10 mm, de acero al carbón ASTM A-36, 2 “C” + 174 (mm) de longitud
2
3 Placa de acero al carbón ASTM A-36, 10 x 100 x 406 (mm) 2
4 Placa de acero al carbón ASTM A-36, “T” x “E” x 478 (mm) 4
5 Tornillo de cabeza hexagonal, acero al carbón ASTM A-325, acabado galvanizado, con tuerca y arandela de presión, 22 ø x 76 mm (7/8" x 3"), cuerda corrida, rosca estándar serie UNC
4
Notas de Fabricación:
1. Todas las dimensiones están en milímetros
2. Para seleccionar el código, utilizar la tabla III
3. Si existen cargas o condiciones diferentes a las indicadas en la tabla III, consultar al especialista de
análisis de esfuerzos para determinar el tipo de perfil a usar
4. Para tuberías de 3” y 4” usar soldadura de filete de 6 mm, para tuberías de 6” a 24” usar soldadura de
filete de 10mm, el tamaño de la soldadura no deberá exceder el espesor de la tubería.
5. Para tuberías sin aislamiento las placas de protección deberán tener una dimensión “E1” mínima de
50mm, pero la dimensión “C” será de 150mm como mínimo.
6. Indicar en los perfiles el número de identificación del soporte con letra de 50 mm de altura a base de
pintura visible
7. Este soporte solo podrá ser usado con la aprobación del área de análisis de esfuerzos.
241
5IS “Soporte para aislamiento” para tuberías de 36” y menores.
Tabla I
Tipo Descripción del material
C Acero al carbon ASTM A-36
G Acero de aleación ASTM A-387 Gr. 5 Cl. 1
M Acero inoxidable ASTM A-240 Tipo 304
H Aleación 800 H (Incoloy) ASTM B-409 UNS8810
Tabla II: Materiales
Codigo Marca Descripción Cantidad
5IS 1 Placa de “L” x 25 x 6 (mm) de material compatible con la tubería (Ver tabla I)
Ver nota 2
Notas de fabricación:
1. La dimensión “L” será igual al espesor del aislamiento de la tubería
2. La cantidad de placas de soporte será de acuerdo al diámetro de la tubería.
3. Todas las dimensiones están en milímetros.
242
5FS “Soporte de campo, tipo cantiliver” para tuberías de 12” D.N. y menores (Fijado a estructura de
concreto”.
243
244
Tabla I: Dimensiones para colocación de anclajes de expansión y placa de conexión.
SOP Tipo
Codigo Perno de anclaje Placa de conexión
Ɵ “ED” “AS” “h” “A” “B” “e” “b” “d”
5FS 1 10 75 100 65
150 150
10 25
13 2 10 110 150 200 200
3 13 100 200 100 250 250 16
4 13 135 13
245
5 16
236 75 300 300 32 19
6 186 100 250 320
7
19
145 200
125
300 410
50 22 8
150
240 340 460
16 9 135 370
10 150 400 510
Tabla II: Códigos para soportar una tubería de 12” o varias tuberías de diámetros combinados de 8” y
menores.
Codigo
Momento
Maximo
(kg/cm)
Carga máxima (kg) para cumplir con el momento máximo permisible del soporte
longitud “L1” (mm)
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
1 5100 170 127 102 8 5 7 3 6 4 5 7 5 1 4 6 4 2 3 9 3 6 3 4 3 2
2 10200 340 255 204 170 146 127 113 102 9 3 8 5 7 8 7 3 6 8 6 4
246
3 15300 510 382 306 255 218 191 170 153 139 127 118 109 102 9 6
4 20400 680 510 408 340 291 255 227 204 185 170 157 146 136 127
5 35700 1189 892 714 595 510 446 396 357 324 297 274 255 238 223
6 40800 1359 1019 815 680 582 510 453 408 371 340 314 291 272 255
7 51000 1699 1274 1019 849 728 637 566 510 463 425 392 364 340 319
8 56100 1869 1402 1121 934 801 701 623 561 510 467 431 400 374 350
9 61200 2039 1529 1223 1019 874 765 680 612 556 510 470 437 408 382
10 71400 2379 1784 1427 1189 1019 892 793 714 649 595 549 510 476 446
Tabla III: Lista de materiales (perfiles)
Sop. tipo
Codigo Descripción del material marca (ver nota 2) Cantidad C mm
5FS 1 Perfil L de 51 x 6 mm, de acero al carbón ASTM A-36
1 100
2 Perfil L de 76 x 6 mm, de acero al carbón ASTM A-36
1 150
3 Perfil L de 102 x 6 mm, de acero al carbón ASTM A-36
1 200
4 Perfil L de 102 x 6 mm, de acero al carbón ASTM A-36
1 230
5 Perfil L de 152 x 6 mm, de acero al carbón ASTM A-36
1 250
6 Perfil IR de 152 x 18 (mm x kg/m), de acero al carbón ASTM A-36
1 250
7 Perfil IR de 203 x 22.5 (mm x kg/m), de acero al carbón ASTM A-36
1 250
8 Perfil CE de 254 x 37.2 (mm x kg/m), de acero al carbón ASTM A-36
1 250
9 Perfil IR de 254 x 28.5 (mm x kg/m), de acero al carbón ASTM A-36
1 250
10 Perfil IR de 305 x 38.7 (mm x kg/m), de acero al carbón ASTM A-36
1 250
Tabla IV: Lista de materiales (Pernos de anclaje).
Sop. Tipo
Codigo Descripción del material Cantidad
5FS
1 Perno de expansión hilti kwik bolt 3, de acero al carbón galvanizado, de 10 x 95 mm (Ɵ x longitud)
4 2
3 Perno de expansión hilti kwik bolt 3, de acero al carbón galvanizado, de 13 x 140 mm (Ɵ x longitud)
4 4
5 Perno de expansión hilti kwik bolt 3, de acero al carbón galvanizado, de 16 x 121 mm (Ɵ x longitud)
4
6 Perno de expansión hilti kwik bolt 3, de acero al carbón galvanizado, de 16 x 152 mm (Ɵ x longitud)
4
7 Perno de expansión hilti kwik bolt 3, de acero al carbón galvanizado, de 19 x 178 mm (Ɵ x longitud)
6 8
9 Perno de expansión hilti kwik bolt 3, de acero al carbón galvanizado, de 19 x 178 mm (Ɵ x longitud)
6 10
247
Tabal V: Lista de materiales (placa de conexión)
Sop tipo Codigo DEscripció del material Cantidad
5FS 1 Placa de acero al carbón, ASTM A-36, de 150 x 150 x 10 mm (A x B x e)
1
2 Placa de acero al carbón, ASTM A-36, de 200 x 200 x 10 mm (A x B x e)
1
3 Placa de acero al carbón, ASTM A-36, de 250 x 250 x 10 mm (A x B x e)
1
4 Placa de acero al carbón, ASTM A-36, de 250 x 250 x 13 mm (A x B x e)
1
5 Placa de acero al carbón, ASTM A-36, de 300 x 300 x 13 mm (A x B x e)
1
6 Placa de acero al carbón, ASTM A-36, de 250 x 320 x 13 mm (A x B x e)
1
7 Placa de acero al carbón, ASTM A-36, de 300 x 410 x 13 mm (A x B x e)
1
8 Placa de acero al carbón, ASTM A-36, de 340 x 460 x 16 mm (A x B x e)
1
9 Placa de acero al carbón, ASTM A-36, de 370 x 460 x 16 mm (A x B x e)
1
10 Placa de acero al carbón, ASTM A-36, de 400 x 510 x 16 mm (A x B x e)
1
Notas de fabricación:
1. Todas las dimensiones en milímetros.
2. La “longitud total” requerida será indicada en el isométrico de tuberías para cada soporte en particular.
3. Los anclajes de expansión serán colocados de acuerdo con las instrucciones de instalación que
indique el proveedor
4. En campo se harán los barrenos para para la instalación de las abrazaderas tipo “U-BOLT” cuando se
indique en el isométrico.
5. Las alternativas “E” y “G” solo se utilizaran para diámetros de 3” y menores con una longitud “L1” y “L2”
máxima de 600mm.
6. N.S.S. (Nivel superior de soporte).
7. Indicar en el perfil el número de identificación del soporte con letra de 50mm de altura a base de
pintura visible.
8. Este soporte podrá ser utilizado únicamente bajo la supervisión del personal de análisis de esfuerzo.
9. El uso de este tipo de soportaría en tubería de 2” y menores se realizara empleando directamente los
pernos de anclaje (Tipo hilti kwik bolt3” como se indica en la tabla correspondiente.
Para la tubería de 3” hasta 12”, se buscara emplear placas ahogadas en concreto, para la fijación de este
tipo de soporteria.
248
Anexo 7 Hoja de datos de Equipo.
249
Anexo 8 Ilustraciones, tablas y gráficos para el cálculo de recipientes a presión.
Anexo 8A Eficiencia de soldaduras
Tipos union UW-12 Eficiencia de la unión
cuando la junta esta
radiografiada.
Al
100%
Por
puntos
Sin
Soldadura a tope unida con soldadura por ambos lados, o
bien otro método que iguale la misma calidad del material
de aporte en ambos lados de la superficie soldada
1.00 0.85 0.70
Soldadura simple a tope con solera de respaldo la cual
permanecerá en el interior del recipiente.
0.90 0.80 0.65
Unión simple por un solo lado sin solera de respaldo. --- --- 0.60
Unión traslapada con doble filete. --- --- 0.55
Unión traslapada con filete sencillo y tapón de soldadura. --- --- 0.50
Unión traslapada con filete sencillo sin tapo de soldadura. --- --- 0.45
Anexo 8B Esfuerzos máximos permisibles de diseño a la tensión en 1000 PSI.
Especificación del material
Cuando la temperatura de diseño no excede de Fº
Numero Grado -20 a 650 700 750 800 850 900 950 1000
SA-283 C 12.7 --- --- --- --- --- --- ---
SA-285 C 13.8 13.3 12.1 10.2 8.4 6.5 --- ---
SA-515 55 13.8 13.3 12.1 13.0 8.4 6.5 4.5 2.5
SA-515 60 15.0 14.4 13.0 10.8 8.7 6.5 4.5 2.5
SA-515 65 16.3 15.5 13.9 11.4 9.0 6.5 4.5 2.5
SA-515 70 17.5 16.6 14.8 12.0 9.3 6.5 4.5 2.5
SA-516 55 13.8 13.3 12.1 10.2 8.4 6.5 4.5 2.5
SA-516 60 15.0 14.4 13.0 10.8 8.7 6.5 4.5 2.5
SA-516 65 16.3 15.5 13.9 11.4 9.0 6.5 4.5 2.5
SA-516 70 17.5 16.6 14.8 12.0 9.3 6.5 4.5 2.5
SA-105 17.5 16.6 14.8 12.0 9.3 6.5 4.5 2.5
SA-181 I 15.0 14.3 12.9 10.8 8.6 6.5 4.5 2.5
SA-350 LF1 15.0 --- --- --- --- --- --- ---
SA-350 LF2 17.5 --- --- --- --- --- --- ---
SA-53 B 15.0 14.4 13.0 10.8 8.7 6.5 --- ---
250
SA-106 B 15.0 14.4 13.0 10.8 8.7 6.5 4.5 2.5
SA-193 B7 <2-1/2 25.0 25.0 23.6 21.0 17.0 12.5 8.5 4.5
SA-194 2H --- --- --- --- --- --- --- ---
SA-307 B --- --- --- --- --- --- --- ---
Anexo 8C Ancho efectivo del asentamiento del empaque “b”
251
Anexo 8D detalles de uniones para tapas planas.
Anexo 8F Materiales de empaque y caras de contacto
252
Anexo 8G Esfuerzos en recipientes cilíndricos horizontales soportados por dos silletas.
253
Anexo 8H Esfuerzos en recipientes grandes a presión soportados por dos silletas.
254
255
Anexo 9 Dimensionamiento de recipientes de separación.
Conceptos
Geometría del cilindro:
La mayoría de los recipientes de proceso son cilíndricos independientemente de las tapas o cascos. Esta
forma en particular permite realizar cálculos relativamente sencillos. Consideremos un cilindro cualquiera.
La relación principal de este cuerpo es:
Si se considera que el volumen es una función del diámetro y la longitud entonces se tiene que:
Para el caso que el diámetro es constante:
Para el caso que la longitud es constante:
Estas relaciones nos ayudarán a entender mejor el comportamiento de un fluido dentro de un cilindro en
posición vertical u horizontal. Sin embargo es necesario tener en cuenta además las siguientes relaciones
provenientes del círculo. Consideremos la siguiente figura.
256
Se requiere encontrar el área de la sección sombreada.
Para ello encontramos que:
Recordemos que el área de cualquier circunferencia dado un ángulo viene dado por:
∫∫
El área del triángulo se forma con la cuerda y el radio vendrá dado por:
(
)
[ ]
Entonces el área sombreada vendrá por la diferencia del área del arco menos el área del triángulo:
[ ]
Para encontrar podemos obtenerlo de la expresión más sencilla en este caso el coseno:
(
*
En resumen y en términos del Diámetro:
[ ]
(
*
Dónde el subíndice denota la sección a calcular:
Relación Longitud-Diámetro (L/D):
La relación Longitud-Diámetro establece la geometría que el recipiente tendrá. Esta relación es de
importancia para recipientes a presión pues a una L/D muy pequeña el recipiente puede sufrir esfuerzos
excedentes. Para considerar la L/D adecuada de acuerdo a la presión de operación se puede seguir las
siguientes recomendaciones empíricas:
257
Rangos de L/D en función de la presión de operación.
Presión de Operación (Psig)
L/D
0<P≤250 1.5-3.0
250<P≤500 3.0-4.0
500<P 4.0-6.0
A partir de estos valores se puede dar una correlación válida para todo rango de presiones dadas:
[ ] ⁄
Aunque la relación nos puede auxiliar en muchos casos para la elección de la L/D más adecuada, también
influye la cuestión estética y de fabricación. La mayoría de las veces se usa como típico un valor de L/D=3,
sin embargo para recipientes con presiones cercanas a la atmosférica o para recipientes de acumulación
pueden usarse valores de L/D de 1.5 a 2.
Tiempo de Residencia:
El tiempo de residencia se define como el tiempo que tarda una diferencial de volumen en atravesar una
sección o equipo en estado estacionario.
Tradicionalmente se define como:
Dónde:
=tiempo V = volumen Q = flujo volumétrico. Velocidad de separación:
Cuando el dimensionamiento del recipiente sea para una separación, es necesario tener en cuenta que tan
rápido se separan las fases, y con qué velocidad sale el vapor del recipiente.
Para ello se usan las ecuaciones de Stoks:
Velocidad terminal del vapor al separarse:
√
[ ]
258
Velocidad de asentamiento para dos líquidos inmiscibles:
√
Para separadores de dos líquidos es necesario calcular las velocidades para cada fase en caso de que
ambas fases salgan en continuo.
Niveles de líquido:
Los niveles de líquido dentro de un recipiente son los siguientes:
NMAX: es el nivel máximo al que puede llegar el líquido y se encuentra por debajo de la boquilla de
alimentación.
NMIN: es el mínimo de líquido dentro del recipiente.
NNOR: es el nivel normal de líquido requerido para el proceso y se encuentra entre el nivel máximo y el nivel
mínimo, típicamente al 60% de este rango.
AAN: es el nivel de Alarma de Alto Nivel y es la distancia a la que se coloca un medidor que disparará la
alarma por muy alto nivel. Se encuentra típicamente a 80% entre el nivel máximo y nivel mínimo.
ABN: es el nivel de Alarma de Bajo Nivel y es la distancia a la que se coloca un medidor que disparará la
alarma por muy bajo nivel. Se encuentra típicamente a 25% entre el nivel máximo y nivel mínimo.
La diferencia entre el nivel norma y de alto nivel se conoce como Surge, mientras que la diferencia entre
bajo nivel y el nivel normal se conoce como HoldUp.
Dimensionamiento del Recipiente
Para poder dimensionar un recipiente ya sea como separador o acumulador es necesario disponer de la
siguiente información.
1. Balance de materia de las corrientes de alimentación y salidas del equipo a diseñar.
Específicamente:
Flujos másicos y volumétricos a P y T
2. Balance de energía de las corrientes a procesar.
Específicamente:
Condiciones de las corrientes (P y T).
259
Densidades de las corrientes a P y T.
3. Diámetro de las boquillas de entradas y salidas de los fluidos principales.
Determinación de la posición:
Para determinar si un recipiente es vertical u horizontal es necesario saber la distribución de separación
que es la relación de flujo másico de vapor en el flujo másico de líquido, es decir:
Dimensionamiento de un recipiente vertical como separador L-V.
1) Calcular los flujos volumétricos de líquido y vapor con un sobre diseño seleccionado.
2) Seleccionar un tiempo de residencia, este dependerá del servicio del recipiente. Existen criterios en
base a la experiencia o ciertos requerimientos. Ver anexo 1.
3) Seleccionado el tiempo de residencia se debe calcular un tiempo ajustado en función de la
instrumentación que llevará y de la experiencia del personal. En caso de que el recipiente este bien
instrumentado y el operador tenga la experiencia adecuada los factores de sobre diseños serán
iguales a 1. Ver anexo 1.
4) Calcular el volumen del líquido que se retendrá:
5) Calcular la velocidad terminal del vapor al separarse con la ecuación de Stoks:
√
[ ]
6) Calcular el Área transversal y Diámetro del recipiente en función de la velocidad terminal de vapor.
260
√
7) Seleccionar un valor de (
)
o calculando:
(
*
[ ] ⁄
El diámetro calculado obtenido será nuestro primer valor de referencia para iniciar el cálculo de la longitud
y posiciones de boquillas y alarmas.
El valor de L/D será nuestro valor a cumplir para completar el diseño.
Consideraremos el siguiente diagrama y las siguientes relaciones a ocupar para estimar la longitud del
recipiente.
8) Calcular el espacio del líquido retenido:
[ ]
9) Calcular el espacio de la boquilla de entrada al nivel máximo:
261
[ ]
[ ]
10) Seleccionar el espacio vapor de acuerdo a:
[ ]
11) El espesor del demister y el espacio a tangencia superior serán:
En caso de que no se requiera demister serán cero.
12) Calcular los niveles Mínimo, Máximo y Normal.
13) Calcular la Longitud Tangente-Tangente.
14) Calcular L/D con la Longitud Tangente-Tangente obtenida y el diámetro.
¿Es (
)
(
)
? En caso de ser cierta, modificar el diámetro, ya sea aumentando o disminuyéndolo,
calcular el área transversal (
y repetir el procedimiento a partir del paso 8) hasta que la L/D
calculada sea semejante a la L/D requerida.
15) Cuando se encuentre el diámetro adecuado para la L/D requerida se deberán aproximar los
resultados de longitud y diámetro al tamaño comercial nominal superior próximo. Ver anexo 2.
16) Una vez seleccionadas las dimensiones ajustar
262
17) Recalcular la velocidad terminal del vapor con el diámetro seleccionado.
18) Calcular las ubicaciones de las alarmas por Alto Nivel y por Bajo Nivel:
En caso de requerirse determinar los tiempos Hold-up y de Surge y al tener una posición vertical el
recipiente, el tiempo de residencia entre cada punto se puede calcular con:
Sin embargo esta es una aproximación al fenómeno pues si se quisiera determinar con más detalle la
variación del volumen respecto al tiempo se debe contemplar la ecuación de balance de materia en
régimen no estacionario. En caso de que las propiedades de los fluidos no cambien respecto al tiempo se
puede considerar lo siguiente:
(
*
Dimensionamiento de un recipiente horizontal como separador L-V
1) Calcular los flujos volumétricos de líquido y vapor con un sobre diseño seleccionado.
2) Seleccionar un tiempo de residencia, este dependerá del servicio del recipiente. Existen criterios en
base a la experiencia o ciertos requerimientos. Ver anexo 1.
3) Seleccionado el tiempo de residencia se debe calcular un tiempo ajustado en función de la
instrumentación que llevará y de la experiencia del personal. En caso de que el recipiente este bien
instrumentado y el operador tenga la experiencia adecuada los actores de sobre diseños serán
iguales a 1. Ver anexo 1.
263
4) Calcular el volumen del líquido que se retendrá:
5) Seleccionar un valor de (
)
o calcularlo:
(
*
[ ] ⁄
6) Proponer un diámetro de tanque para iniciar la estimación.
El valor de L/D será nuestro valor a cumplir para completar el diseño.
Consideraremos el siguiente diagrama y las siguientes relaciones a ocupar para ajustar el diámetro y
calcular la longitud y del recipiente.
Para realizar los estimados debe tomarse en cuenta que la dinámica de un recipiente horizontal viene
dada por una altura de líquido sobre la circunferencia del recipiente:
264
Cuando no existe líquido dentro del recipiente se establece que no hay un área seccional de líquido.
En cuanto existe un líquido dentro del recipiente provoca una altura y un ángulo respecto al centro de la
circunferencia.
A medida que existe más liquido la altura se incrementa en consecuencia el ángulo de apertura es mayor y
el área seccional aumenta.
Este comportamiento establece que para dimensionar el recipiente se deben considerar las áreas
seccionales de las distancia a establecer.
7) Calcular el espacio del vapor de acuerdo a:
265
[ ]
[ ]
Es decir, se elige el valor de mayor. En caso de no existir demister se considera que son cero.
Calcular :
[ ]
8) Calcular los niveles Mínimo, Máximo y Normal.
9) Calcular el área transversal del recipiente y los ángulos de apertura para cada sección y sus áreas
seccionales:
(
*
[ ]
Es decir:
El área a la sección mínima (que corre desde el fondo del tanque hasta la altura del nivel mínimo será:
(
*
[ ]
El área a la sección máxima, que corre desde el fondo del tanque hasta la altura del nivel máximo será:
(
*
266
[ ]
Y de manera similar para el área a la sección norma, que va desde el fondo del tanque hasta el nivel
normal:
(
*
[ ]
10) Calcular el área de la sección de vapor:
11) Calcular el área útil de líquido:
12) Calcular la Longitud Tangente-Tangente
13) Calcular L/D con la Longitud Tangente-Tangente obtenida y el diámetro supuesto.
¿Es (
)
(
)
? En caso de ser cierta, regresar al inciso 6) y repetir el procedimiento hasta que la
L/D calculada sea semejante a la L/D requerida.
14) Cuando se encuentra el diámetro adecuado para la L/D requerida se deberán aproximar los
resultados de longitud y diámetro el tamaño comercial nominal superior próximo. Ver anexo 2.
267
15) Calcular la velocidad terminal del vapor con el diámetro seleccionado.
16) Calcular las ubicaciones de las alarmas por Alto Nivel y por Bajo Nivel:
En caso de requerirse determinar los tiempos de Holdup y de Surge y al tener una posición horizontal al
recipiente, el tiempo de residencia entre cada punto se puede calcular con:
Sin embargo al igual que para el recipiente vertical esta es una aproximación al fenómeno pues si se
quisiera determinar con más detalle la variación del volumen respecto al tiempo se debe contemplar la
ecuación de balance de materia en régimen no estacionario.
En caso de que las propiedades de los fluidos no cambien respecto al tiempo se puede considerar lo
siguiente:
DIMENSIONAMIENTO.
Criterios de diseño para aplicaciones específicas de proceso.
Tiempos de residencia de líquido.
El tiempo de residencia es el tiempo mínimo que se requiere para proporcionar una flexibilidad de
operación razonable. Este tiempo debe ser suficiente para que el personal de operación detecte y corrija
una falla alrededor de una pieza de equipo de proceso, como en el caso de falla de una bomba.
268
El tiempo entre la detección y la corrección del problema depende de la experiencia del personal que
opera la unida y el grado de satisfacción del instrumento.
Se dan enseguida algunas recomendaciones para tiempos de residencia de líquido típicos. Estas
recomendaciones se basan en un personal de operación experimentando y en una unidad bien
instrumentada. El diseñador incrementará estos tiempos de residencia recomendados, multiplicada por los
siguientes factores:
Personal Factor Instrumentación Factor
Experimentado 1.0 Bien instrumentado 1.0
Bien entrenado 1.2 Instrumentación normal 1.2
Sin experiencia 1.5 Pobremente instrumentado 1.5
Tabla para tiempos de residencia de líquido entre Nivel Mínimo y Máximo.
Servicio Tr, min.
Un tanque de balance alimenta una unidad de proceso dada, pero recibe el líquido de otra unidad que está ligada a un cuarto de control separado.
20
Igual que el anterior, pero el tanque de balance recibe el líquido de una unidad de proceso ligada al mismo cuarto de control.
15
Un tanque de balance alimenta una unidad de proceso, pero recibe el líquido de tanques fuera de la planta.
15
Un líquido de un tanque de balance se alimenta una torre ligada a un cuarto de control separado.
12
Un líquido de un tanque de balance se alimenta a una torre ligada al mismo cuarto de control.
8
Un líquido de un tanque de balance a tanques fuera de la planta o directamente a un tanque de alimentación para otra unidad (flujo por gravedad).
3
Igual que el anterior, pero el líquido se bombea desde el tanque de balance. 5
Un líquido de un tanque de balance, ya sea a un tanque fuera de la planta a otro tanque de alimentación, a través de un cambiador de calor alimentado por el fondo.
5
Un líquido de un tanque de balance es la única carga a un calentador a fuego directo.
10
Un líquido de un tanque de balance alimenta un re-hervidor a fuego directo; el tiempo de residencia se basa en el vapor del re-hervidor expresado como líquido (5 minutos) más el tiempo de residencia adecuado para el producto de fondos en base al servicio específico.
5
Un separador vapor-líquido entre una unidad de separación de alta presión y otra de baja presión.
4
Un tanque de destilado que actúa únicamente como acumulador de reflujo. 5
Un tanque de destilado (tanque de reflujo) que también sirve como recibidor de producto, basándose el tiempo de residencia en el reflujo (3 minutos) más el tiempo de residencia adecuado en base al servicio específico:
5
Si el producto se envía a almacenamiento 2
Si el producto se alimenta a otra torre 15
Tanques de alimentación a un reactor 25
Tanques separadores de arrastre a la succión del compresor, en base a la velocidad del líquido de la mayor unidad productora e líquido antes del compresor.
10
Tiempo de residencia adicional o de emergencia para tanques separadores de arrastre entre etapas (en base a una velocidad máxima de producción de condensado entre etapas).
10
269
Relación óptima L/D para tanques de proceso.
La selección de un valor adecuado para la relación L/D de un tanque de proceso en un determinado
servicio resulta afectada por estos factores:
1) Las consideraciones de proceso son predominantes sobre las consideraciones de costos, es decir,
la forma de un tanque suele fijarse por los requerimientos que resultan de tiempos de residencia de
líquidos especificados, áreas de vapor mínima, velocidades de asentamiento, etc. Muy a menudo la
relación de L/D se fija por limitaciones del plano de distribución y por especificaciones del cliente.
2) Puede ser difícil construir y operar (problemas de mantenimiento) tanques con diámetros inferiores
a 2 ft, especialmente si se van a usar internos tales como mamparas, alimentadores de niebla,
controladores especiales de nivel, etc.
3) Las relaciones óptimas L/D no tienen tanto significado en el caso de tanques con internos
complejos como lo tienen para tanques más simples.
Las consideraciones de costos dictan una relación óptima L/D para cualquier volumen de tanque. Los
criterios que se dan enseguida llevarán en la mayor parte de los casos prácticos a costos de diseño “casi
mínimos”.
(1) El primer criterio es el de la relación L/D de todos los tanques de proceso deben estar dentro del
rango 1 ≤ L/D ≤ 5
(2) A partir de la gráfica de Abakians se obtiene el diámetro óptimo, debiendo quedar la relación L/D
dentro del rango establecido.
Selección preliminar del tipo de cabezas.
Pueden usarse las siguientes recomendaciones para hacer una selección preliminar del tipo de cabezas:
Cabezas torisféricas
D≤15 ft P< 100 psig Cabezas semi-elipsoidales 2:1 D≤15 ft 100 psig ≤ P< 450 psig Cabezas hemisféricas D≤15 ft P> 450 psig D > 15 ft Dónde: D= Diámetro del recipiente P= Presión de diseño La selección final de las cabezas es hecha por el diseñador mecánico de recipientes, que resolverá
cualquier caso que se presente. Una vez que se obtuvieron las dimensiones por cálculos del equipo, por
economía se debe de referir a las medidas ya establecidas como comerciales. Utilizando los criterios para
fijar las dimensiones finales de los recipientes:
270
Los constructores de recipientes emiten catálogos con las medidas disponibles (COMERCIALES) de las
distintas partes de un recipiente.
Para fijar la longitud del recipiente es conveniente conocer cuáles son los anchos de las placas
comerciales:
1219 mm (4 pies) *1829 mm (6 pies) *2438 mm (8 pies) 3048 mm (10 pies) 3658 mm (12 pies)
*Los anchos de las placas más comunes en el comercio son las de 1829 mm (6 pies) y 2438 mm (8 pies).
O sea que para fijar la longitud de un recipiente, es conveniente redondear la longitud calculada al ancho
comercial de alguna de las placas, o bien igual al ancho de una combinación de dos placas. En el caso de
que la longitud del recipiente sea mayor a 3658 mm (12 pies); se pueden hacer combinaciones de las
placas comerciales que existen, teniendo así variaciones en la longitud de 610 mm en 610 mm (2 en 2
pies).
Longitudes recomendadas de los recipientes:
(mm) (pies) Ejemplos de combinación de placas comerciales
4267 14 8 pies y 6 pies 4877 16 8 pies y 8 pies 5486 18 8 pies y 10 pies 6096 20 10 pies y 10 pies 6706 22 8 pies, 8 pies y 6 pies 7315 24 8 pies, 8 pies y 8 pies
271
Anexo 10 Ejemplo del cálculo de bombas con diferentes fluidos.
En el cálculo de las bombas para el diseño de un sistema se deben de realizar valorando los caudales de:
Diseño: 236.5 m3/hr
Normal: 215 m3/hr
Mínimo: 129 m3/hr
Presión de entrada y salida:
Presión Origen = 7.7 kg/cm2 g
Presión Destino = 6.4 kg/cm2 g
Presión Destino = 9.0 kg/cm2 g (Presión Máxima en Límites de Batería - Caso de Diseño)
Propiedades del Fluido:
Gravedad Específica 0.67 @ 278°C
Viscosidad, cp 0.23 @ 278°C
Presión vapor, kg/cm2-a 8.73 @ 278°C
Caídas de Presión
Strainer: 0.07 kg/cm2 @ Flujo normal
Intercambiador CH-50303 A/D 1.0 kg/cm2
Intercambiador CH-50303 C/D 1.0 kg/cm2
Aeroenfriador CO-50303 A/B 0.7 kg/cm2
272
FV-3001 2.7 kg/cm2
Intercambiador CH-50305 0.4 kg/cm2
Coalescedor PK-50305 1.0 kg/cm2
Datos de tubería:
Código del Fluido: P, Diesel
Diámetro de succión: 12”
Diámetro de descarga: 8”
Material de la tubería: Acero al Carbón
Cédula 20.
Criterios de dimensionamiento de líneas:
Criterios de diseño a la succión:
Velocidad: 0.5 - 1.2 m/s
Caída de presión: 0.050986 – 0.115228 (kg/cm2)/ 100 m
Criterios de diseño a la descarga:
Velocidad líquido: 1.0 – 3.0 m/s
Caída de presión máxima: 0.2304567 – 0.917748 (kg/cm2)/100 m
Criterios de Diseño de caída de presión de la válvula de Control
15 psi. Min @ Flujo normal
10 psi min. @ Flujo de diseño
50% pérdidas variables del sistema @ Flujo normal
25% pérdidas variables del sistema @ Flujo de diseño.
En el cálculo hidráulico se considera el 20% de sobre diseño para las pérdidas por fricción de tubería y
accesorios para una fase (liquido) y el 30% para dos fases (liquido/vapor).
Se presentó un esquema del proceso con la información condensada para el cálculo hidráulico. Se debe
de tomar en consideración las distancias que existen entre equipos así como sus elevaciones. Para todas
las líneas, para el cálculo se consideran los diámetros de las líneas de succión y descarga indicados en el
esquema. Por lo que se terminaran verificando los diámetros de las tuberías y especificaciones de la
bomba. Cabe mencionar que el NPSH disponible se calcula con un factor de seguridad de 0.91mts,
asegurándonos que no se tendrán problemas de cavitación en la bomba.
273
Resultados Unidades
Flujo (Dis/Nor/Min) 236.5 / 215 / 129 m3/hr
Presión Diferencial 8.0 kg/cm2
Carga Diferencial 119 m
NPSH disponible 4.88(1) m
Presión de succión 8.1 kg/cm2 g
Presión de descarga 16.1 kg/cm2 g
ΔP Válvula de Control (@ Flujo Dis/Nor/Max) FV-3001 1.8 / 3.04 / 6.83 kg/cm2
Potencia hidráulica 51.8 HP
(1) Para el cálculo del NPSH disponible se consideró un margen de seguridad de 0.91 m.