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Home Foros Piping Industrial Cálculo de Tensiones según Norma I Tema 12. Calculo de Tensiones (B31.3/B31.1)

  • Tema 12. Calculo de Tensiones (B31.3/B31.1)

    Publicado por Eduardo Ramón Girón López el 13 de febrero de 2021 a las 07:21

    Luis, buen día, tu apoyo para aclararme estas cuestiones.

    1. En la pagina 12 se menciona el uso de la temperatura Máxima de Operación para encontrar el Sh en el anexo, sin embargo por que para esta finalidad no se usa la temperatura de Diseño de la tubería, ya que tecnicamente esta temperatura esta por encima de la Temperatura de Operacion.

    2. En las ecuaciones del B31.1 se describen que es cada termino, menos este (i). (imagen 1

    3. En el apartado de relajamiento espontaneo, se hace notar la aparición de unas tensiones de valor negativo, cuando las lineas estan enfriandose (paro de planta), no me queda claro que es lo que pasa con el material cuando aparecen estas tensiones negativas , si la tension aumenta con el incremento de temperatura y esto produce una cambio de longitud en las tuberías, esto ocasiona que se contraigan los tubos? (imagen 2

    Quedo atento

    Eduardo

    Formación Industrial respondió hace 1 año, 10 meses 1 Miembro · 3 Respuestas
  • 3 Respuestas
  • Formación Industrial

    Administrador
    13 de febrero de 2021 a las 11:09

    Buenos días Eduardo,

    Creo que estas cuestiones son interesantes y ayudarán al resto de alumnos, gracias por postearlas en el foro! Te contesto:

    1. En la pagina 12 se menciona el uso de la temperatura Máxima de Operación para encontrar el Sh en el anexo, sin embargo por que para esta finalidad no se usa la temperatura de Diseño de la tubería, ya que tecnicamente esta temperatura esta por encima de la Temperatura de Operacion.

    Esto no es del todo cierto Eduardo, es un error muy común a todos los ingenieros de piping, no te preocupes. Normalmente tomamos como termino “diseño” a los valores más altos de la operación de la instalación ( ya sea presión o temperatura) pero eso no es así.

    La condición de diseño es aquella que supone la máxima presión (y por tanto nos condiciona a elegir el máximo espesor) para nuestra tubería, pero esta condición no siempre va ligada a la máxima temperatura.

    Imagina una línea de vapor de baja en la que se dan dos escenarios de operación: un escenario a 15 psi y 315ºC y otro a 200psi y 205ºC. Las condiciones de diseño serán 200 psi y 205ºC porque son las condiciones que dan como resultado un espesor mayor de tubería. En cambio, las condiciones de operación son los 315ºC ya que son las que suponen una mayor temperatura.

    En la sección 301.3 de la Normativa ASME puedes encontrar referencias a la temperatura de diseño.

    2. En las ecuaciones del B31.1 se describen que es cada termino, menos este (i).

    Ese término es el factor intensificador de tensiones o SIF, aprendemos a calcularlo en el tema 16. EN la Normativa ASME hay tablas con los valores tabulados que podrás encontrar en la sección dedicada al cálculo del SIF (Apéndice D)

    3. En el apartado de relajamiento espontaneo, se hace notar la aparición de unas tensiones de valor negativo, cuando las lineas estan enfriandose (paro de planta), no me queda claro que es lo que pasa con el material cuando aparecen estas tensiones negativas , si la tension aumenta con el incremento de temperatura y esto produce una cambio de longitud en las tuberías, esto ocasiona que se contraigan los tubos?

    Lo que sucede con esta secuencia de Planta es el fenómeno denominado “relajamiento del material”. No es que los tubos se contraigan, lo que sucede realmente es que el material se “acostumbra” a estar tensionado y se produce una reordenación interna de su estructura de grano para liberar la tensión a la que está sometido.

    Pongamos un ejemplo práctico:

    Imagina una línea de alta presión de vapor de Planta que sometemos a 300ºC. Una vez que la línea alcance los 300ºC se producirá un estado tensional en la tubería que provocará unas tensiones internas que se traducirán en esfuerzos en la tubería. Hasta ahí, todo correcto ¿no?

    Si mantenemos esta temperatura durante un tiempo prolongado ( varía según cada material ) la estructura interna del material del tubo ( a nivel del tamaño de grano del material) sufre un proceso de acomodación o relajamiento para, manteniendo la misma temperatura, reducir las tensiones. En este caso el material reordena su estructura de grano liberando la tensión a la que está sometido y acostumbrándose a esa temperatura con un estado tensional menor.

    Si tenemos una parada de Planta, simplemente la tubería volvería a su estado de tensiones original, pero como el grano no vuelve a reordenarse, se origina una tensión negativa, por lo tanto, si volvemos a aplicar la misma temperatura, la tensión generada esta vez estará por debajo del primer pico (de ahí que la gráfica se represente por debajo del eje X para luego volver a subir a un punto inferior al primero).

    Espero haberme explicado con claridad. Igualmente te dejo un enlace a un documento muy interesante sobre este fenómeno: “https://www.redalyc.org/pdf/707/70732642003.pdf” No es necesario tener conocimientos previos de ciencias de materiales, se entiende muy bien su lectura,

    Espero haberte ayudado Eduardo, muchas gracias por plantear estas cuestiones,

    Saludos!!

    • Eduardo Ramón Girón López

      Miembro
      14 de febrero de 2021 a las 01:17

      Luis, pregunta:

      1. Esta relajación del material, también hace que cambie el esfuerzo de fluencia del material y el esfuerzo ultimo? Es decir, imaginemos una parada de planta en la que tenemos dos actividades.

      1 .Cambiar ciertas líneas por un tema de desgaste, solo cambiaremos los carretes que tienen menos del espesor aceptable, es necesario volver a hacer el análisis de flexibilidad? que valores usaremos si para algunas secciones de tubería tenemos un material “relajado” y para otros un material que recién será sometido a sus primeras cargas (primaria, secundaria, ocasional).

      2. Modificar el trazado de una línea pero no en su totalidad es decir algunos spools de la ruta anterior se conservan. Que valores de esfuerzo usar para el análisis de flexibilidad? los de la tabla A-1? que aplica si ya tenemos una sección con material “relajado” y otra un material que recién será sometido a sus primeras cargas (primaria, secundaria, ocasional).

      Hago estas cuestiones por que mas aya de la importancia que implica conocer como se comporta la tubería sometida a cargas, esta el tema económico que muchas veces pesa mas que otra cosa.

      Saludos

      • Formación Industrial

        Administrador
        14 de febrero de 2021 a las 10:35

        Buenos días Eduardo,

        Sin duda, en la mayoría de las veces el tema económico es quien gobierna los diseños de Planta y la labor del ingeniero, te contesto a tus cuestiones:

        1. Esta relajación del material, también hace que cambie el esfuerzo de fluencia del material y el esfuerzo ultimo? Es decir, imaginemos una parada de planta en la que tenemos dos actividades.

        Sí, por supuesto, esta reordenación del grano del material cambia las propiedades del mismo. ya que transforma una deformación elástica en plástica, cambiando también el esfuerzo último y de fluencia. De ahí que la gráfica que enlaza varios ciclos tenga un perfil descendente.

        1 .Cambiar ciertas líneas por un tema de desgaste, solo cambiaremos los carretes que tienen menos del espesor aceptable, es necesario volver a hacer el análisis de flexibilidad? que valores usaremos si para algunas secciones de tubería tenemos un material “relajado” y para otros un material que recién será sometido a sus primeras cargas (primaria, secundaria, ocasional).

        En primer lugar, sí sería necesario realizar un análisis de flexibilidad, ya que estamos incluyendo un tramo con unas propiedades diferentes a las que tenemos actualmente en la Planta.

        Para ello habría que medir el espesor de los tramos de tubería y considerarlos en el software de estrés en cuestión (Autopipe, por ejemplo). Los nuevos datos de tensión última y elástico deberían suministrarlo el fabricante de la tubería. Nosotros como ingenieros debemos comentar al fabricante que su material ha estado sometido a una temperatura determinada durante un número de horas determinado y necesitamos saber cuánto ha podido disminuir su límite elástico y último con esta deformación plástica.

        Con toda seguridad obtendremos valores menores que deberán introducirse de forma manual en el software de cálculo para ser considerados.

        2. Modificar el trazado de una línea pero no en su totalidad es decir algunos spools de la ruta anterior se conservan. Que valores de esfuerzo usar para el análisis de flexibilidad? los de la tabla A-1? que aplica si ya tenemos una sección con material “relajado” y otra un material que recién será sometido a sus primeras cargas (primaria, secundaria, ocasional).

        Como te comentaba en la respuesta anterior, hay que considerar muchos aspectos.

        Si estamos considerando líneas de 80 o 120ºC probablemente el proceso de relajación habrá modificado mínimamente la estructura interna del material y podremos usar los valores de la tabla A-1. Incluso podemos aplicar los valores de la tabla A-1 con un coeficiente de disminución de 0,8, para estar tranquilos, y con eso sería suficiente.

        En cambio, si tratamos con líneas de 200-300ºC o incluso más, sería necesario comentar con el fabricante para conocer la estructura interna del material y su nuevo límite elástico. Este tipo de valore se obtienen de ensayos en probetas normalizadas para ese material por lo que dependiendo del material y acabado tendrá un valor u otro.

        Mi consejo es que para temperaturas superiores a 100ºC comentes con el fabricante cual es tu ciclo térmico de Planta para que pueda darte un valor de relajamiento (si lo hubiese) para ese material.

        Por último, recuerda que en un análisis de estrés podemos considerar distintos tramos de tubería, por lo que no es necesario fijar un límite elástico para todo el conjunto. Podemos fijar la tensión máxima admisible para los tramos nuevos según la tabla A-1 y los que nos de el fabricante para os spools que permanecerán en Planta.

        Espero haberte ayudado Eduardo! Estos temas son muy interesantes y darían para debates extensos sobre el tema,

        Saludos!

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