Capítulo 4 Cargas Admisibles en Equipos Rotativos ______________________________ 4.1 Introducción En el diseño de un sistema de tuberías, una vez verificado el cumplimiento de los niveles de esfuerzo generados en el sistema con los límites establecidos por el código de tubería utilizado en el diseño, se deben comprobar las cargas sobre las boquillas de los equipos conectados. Estas no deben exceder los límites establecidos por el fabricante. Las fuerzas ejercidas por la tubería en equipos como bombas, compresores, turbinas pueden causar deformaciones excesivas sobre la carcaza del equipo o causar desalineación en el eje del mismo. Debido a esto, los fabricantes de estos equipos establecen un límite de carga admisibles en las boquillas de los mismos o hacen referencia a las normas bajo las cuales fueron diseñados: API 610 (bombas centrífugas), NEMA SM-23 (turbinas a vapor) y API 617 (compresores centrífugos). Estas normas proveen tablas de chequeo o métodos de cálculo, los cuales sirven para determinar los valores admisibles de las cargas sobre los equipos. 4.2 Cargas admisibles en Bombas Centrifugas (Norma API 610) 4.2.1 Fuerzas y Momentos Externos en Boquillas Las bombas con boquillas de 16” y menores, y con carcasas construidas de aceros aleados, deben ser capaces de proporcionar una operación satisfactoria cuando están sujetas a los efectos de fuerzas y momentos externos como los mostrados en la tabla 4 (Ver Apéndice B Tabla B.1) El fabricante debe presentar cargas admisibles en las boquillas para bridas de bombas superiores a 16” y para carcazas de bombas construidas de materiales diferentes al acero. El rango de cargas y momentos admisibles, presentados en la tabla 4, debe ser usado por el fabricante de bombas y, tomado como base, por el 39 diseñador del sistema de tuberías, para establecer configuraciones aceptables. Dos efectos del sistema de cargas actúante sobre las boquillas son considerados: distorsión de la carcasa de la bomba y desalineación de la bomba y de los ejes. 4.2.2 Bombas horizontales El criterio empleado para determinar el valor de las cargas admisibles en equipos rotativos de esta clase se basa en limitar, al máximo, la distorsión que estas cargas ocasionan en el equipo. Las configuraciones aceptables de sistemas de tuberías no deberían causar una excesiva desalineación entre la bomba y el rotor. Las configuraciones que generan componentes de fuerzas en las boquillas que varían entre los rangos especificados en la tabla 2, limitarán la distorsión del cuerpo de la bomba a la mitad de lo establecido por el criterio de diseño del fabricante y asegurarán desplazamientos del eje a 0.010 pulg. Para que una bomba centrífuga se diga cumple con lo establecido en el API-610, se debe conocer el estado de cargas en ambas boquillas del equipo, y cumplir con: • Todas y cada una de las cargas deben ser inferiores al valor dado en la tabla 2 de dicho código. Si alguna o algunas cargas superan los valores de la tabla 2, entonces se han de cumplir todos y cada uno de los siguientes puntos: 1) Cada una de las componentes de Fuerza y Momento no deben exceder el doble del valor de la tabla 2. 2) La fuerza y el momento resultante en las boquillas de succión y de descarga deben satisfacer las siguientes ecuaciones de interacción: FRS M RS + ≤2 15 . TRT 2 15 . M RT 2 FRD M RD + ≤2 15 . TRT 2 15 . M RT 2 3) La fuerza y el momento resultante en el centro de la bomba, así como, el momento en la dirección Z en ese punto deben cumplir con: 40 FRC < 15 . ( FRST 2 + FRDT 2 ) M RC < 15 . ( M RST 2 + M RDT 2 ) M ZC < 15 . ( M ZST 2 + M ZDT 2 ) Nomenclatura: S ...subíndice, indica succión. D ...subíndice, indica descarga. T2 ...subíndice, indica tabla número 2. C ...punto medio de la bomba. Intersección del eje de la bomba con la línea del eje del pedestal. 4.2.3 Ejemplos Ejemplo 4.2.2.1: En la figura 4.1 se muestra la configuración geométrica de las boquillas de una bomba centrífuga horizontal. Las cargas que actúan sobre las boquillas, tanto de succión como de descarga, se indican en la tabla 4.1. Se pide verificar las boquillas de acuerdo a los lineamientos establecidos por la Norma API 610. Figura 4.1. Configuración de las boquillas de la bomba 41 Tabla 4.2. Cargas externas sobre la boquilla de la bomba Descarga Succión Descarga Succión Fx [lbs] -2300 1500 Mx [lbs.ft] 3400 -3800 Fy [lbs] 1640 -1800 My [lbs.ft] 3200 5000 Fz [lbs] 860 2000 Mz [lbs.ft] 2600 1000 Solución: La tabla 4.2 muestra los valores admisibles para las cargas sobre las boquillas de succión y de descarga. Tabla 4.3. Valores de carga admisibles (Tabla 2, API-610) Descarga Succión Descarga Succión Fx [lbs] 1200 1800 Mx [lbs.ft] 3700 4500 Fy [lbs] 1500 1200 My [lbs.ft] 2800 3400 Fz [lbs] 1000 1500 Mz [lbs.ft] 1800 2200 Algunos valores de carga superan los de la tabla 2. Luego, se verifica si estos valores no superan el doble de los presentados en la tabla 2. Descarga: FX = 2300 ≤ 2400 M X = 3400 ≤ 7400 FY = 1640 ≤ 3000 M Y = 3200 ≤ 5600 FZ = 860 ≤ 2000 M Z = 2600 ≤ 3600 Succión: FX = 1500 ≤ 3600 M X = 3800 ≤ 9000 FY = 1800 ≤ 2400 M Y = 5000 ≤ 6800 FZ = 2000 ≤ 3000 M Z = 1000 ≤ 4400 42 F.2.1. Interacción: Succión: FRS = (15002 + 18002 + 20002 )1/ 2 = 3080lb M RS = (38002 + 50002 + 10002 )1/ 2 = 6359lb ⋅ ft 3080 6359 = 148 + . <2 15 . ⋅ 2600 15 . ⋅ 6100 Descarga: FRD = ( 23002 + 16402 + 8602 )1/ 2 = 2953lb M RD = (34002 + 32002 + 26002 )1/ 2 = 5344lb ⋅ ft 2953 5344 + = 16 . <2 15 . ⋅ 2200 15 . ⋅ 5000 F.2.2 [ FRC = (− 2300 + 1500) + (1640 − 1800) + (2000 + 860) 2 2 ] 2 1/ 2 = 2974lb M XC = 3400 − 3800 − 1640 ⋅ 12.5 / 12 + 860 ⋅ 15.25 / 12 = −1015lb ⋅ ft M YC = 3200 + 5000 − 2000 ⋅ 12 / 12 − 2300 ⋅ 12.5 / 12 = 3804lb ⋅ ft M ZC = 2600 + 1000 + 2300 ⋅ 15.25 / 12 − 1800 ⋅ 12 / 12 = 1800lb ⋅ ft M RC = (1015 2 + 3804 2 + 1800 2 ) 1/ 2 = 4324lb ⋅ ft FRC < 15 . ( 2600 + 2200) = 7200 M RC < 15 . ( 6100 + 5000 ) = 16650 M ZC < 2( 2200 + 1800 ) = 8000 La bomba cumple con el API-610 43 4.2.4 Bombas Verticales Cuando se tienen bombas verticales, el procedimiento es ligeramente diferente: 1) Las cargas y momentos en cada boquilla no deben exceder el doble del valor de la Tabla 4 2) Las cargas en cada boquilla deben ocasionar un esfuerzo principal σ III inferior a 6000 psi en dicha conexión. Para fines de cálculo, las propiedades de la sección se tomaran como las de una tubería Sch40 y de diámetro nominal correspondiente al de la conexión. σ σ2 + τ 2 ≤ 6000 psi 2 4 . F 127 122 D σ = 2 Z 2 + 4 o 4 M X 2 + MY 2 Do − Di Do − Di S= + ( . FX 2 + FY 2 127 61Do τ= 4 M + Do − Di 4 Z Do2 − Di 2 FZ ) 1/ 2 ...es positiva si somete a tracción la boquilla de acuerdo a la figura 1 del API-610. M Z ...es el módulo de M Z . 4.3 Cargas Admisibles en Turbinas de Vapor (Norma NEMA SM-23). La Norma NEMA SM-23 describe los lineamientos para el cálculo de las cargas admisibles en turbinas a vapor. Debe cumplirse con lo siguiente: 1. En cada boquilla debe verificarse: FR + MR ≤ 167 De 3 ⎧ DN si D ≤ 8" ⎪ De = ⎨ DN + 16 si D > 8" ⎪⎩ 3 44 FR ...Fuerza Resultante. M R ...Momento resultante. De ...Diámetro equivalente. DN , D ...Diámetro nominal. 2. Las fuerzas y momentos trasladados a la salida deben cumplir con: FRT + M RT ≤ 125 DC 2 Los componentes de las fuerzas equivalentes no deben exceder: FXT ≤ 50 DC FYT ≤ 125DC M XT ≤ 250 DC MYT ≤ 125DC FZT ≤ 100 DC M ZT ≤ 125DC En este caso Dc es un diámetro equivalente: ⎧ ∑ D 2 si D ≤ 9" C i ⎪⎪ DC = ⎨ 18 + ∑ D i 2 ⎪ si DC > 9" ⎪⎩ 3 T ...Subíndice, trasladado a la descarga o salida. DC ...Diámetro equivalente. 4.3.1 Ejemplo A continuación se muestra una turbina a vapor. Se pide verificar las boquillas de entrada y salida de acuerdo a las cargas dadas en la siguiente tabla: 45 Tabla 4.3. Cargas externas sobre las boquillas de la turbina lbf lbf. ft in Entrada Salida Fx -30 -155 Fy -55 1095 Fz 204 170 Mx 120 44 My -67 -425 Mz 124 -72 D 3 8 1. Entrada: Salida: FR = (302 + 552 + 2042 )1/ 2 FR = 213.4 lbf FR = (1552 + 10952 + 1702 )1/ 2 FR = 1119 lbf M R = (1202 + 672 + 1242 )1/ 2 . lbf ⋅ ft M R = 1851 M FR + R ≤ 167 ⋅ De 3 . 1851 ≤ 167 ⋅ 3 213.4 + 3 . ≤ 495 2751 M R = ( 442 + 4252 + 7222 )1/ 2 M R = 839 lbf ⋅ ft M FR + R ≤ 167 ⋅ De 3 839 ≤ 167 ⋅ 8 1119 + 3 1399 ≤ 1336 !No! 2. FXT = −30 − 155 = −185 FYT = −55 + 1095 = 1040 FZT = 204 + 170 = 374 FRT = (1852 + 10402 + 3742 )1/ 2 FRT = 1121 lbf 46 28 27 + 204 = 495 lbf ⋅ ft 12 12 28 25 = −67 − 425 + 30 + 204 = 3 lbf ⋅ ft 12 12 27 25 = 124 − 722 + 30 + 55 = −530.5 lbf ⋅ ft 12 12 2 2 2 1/ 2 = ( 495 + 3 + 530.5 ) = 726 lbf ⋅ ft M XT = 120 + 44 + ( −55) MYT M ZT M RT DC = (32 + 82 )1/ 2 = 8.54"≤ 9" DC = 8.54" 2a. M RT ≤ 125DC 2 726 ≤ 125 ⋅ 8.54 1121 + 2 1484 ≤ 1067.5 !NO! FRT + 2b. 185 ≤ 50 ⋅ 8.54 = 427 1040 ≤ 125 ⋅ 8.54 = 1067.5 374 ≤ 100 ⋅ 8.54 = 854 495 ≤ 250 ⋅ 8.54 = 2135 3 ≤ 125 ⋅ 8.54 = 1067.5 530.5 ≤ 125 ⋅ 8.54 = 1067.5 Conclusión: las cargas sobre la turbina no cumplen con lo establecido en NEMA SM-23. 4.4 Cargas admisibles en Compresores Centrífugos (Norma API-617) Las cargas admisibles en este caso son las mismas que las especificadas en el NEMA SM-23, pero afectados por un factor de 1,85. 1. En cada boquilla debe verificarse: 3FR + M R ≤ 925De ⎧ DN si D ≤ 8" ⎪ De = ⎨ DN + 16 si D > 8" ⎪⎩ 3 47 FR ...Fuerza Resultante. M R ...Momento resultante. De ...Diámetro equivalente. DN , D ...Diámetro nominal. 2. Las fuerzas y momentos trasladados a la salida deben cumplir con: FRT + M RT ≤ 231DC 2 FXT ≤ 50 DC FYT ≤ 125DC M XT ≤ 250 DC MYT ≤ 125DC FZT ≤ 100 DC M ZT ≤ 125DC ⎧ ∑ D 2 si D ≤ 9" i C ⎪⎪ DC = ⎨ 18 + ∑ D i 2 ⎪ si DC > 9" ⎪⎩ 3 48 Capítulo 5 Cargas Admisibles en Equipos Estacionarios ______________________________ 5.1 Introducción Las cargas transmitidas por una línea de tubería conectada a un equipo estático inducen esfuerzos en sus paredes, que a su vez producen deformaciones. La manera más exacta de calcular estos esfuerzos es mediante la aplicación del método del elemento finito. 5.2 Cargas admisibles en Tanques de Almacenamiento (Norma API-650) El procedimiento propuesto por API para el cálculo de las cargas admisibles en tanques de almacenamiento está basado en los trabajos realizados por Billimoria en el 1977 y 1980 (“Stiffness Coefficients and Allowance Loads for Nozzles in Flat Bottom Storage Tanks” Billimoria & Hagstrom. Journal of Pressure Vessel Technology Vol. 100, Nov. 1978 - “Experimental Investigation of Stiffness Coefficients and Allowable Loads for Nozzles in Flat Bottom Storage Tanks “ Billimoria & K.K. Tam, ASME 1980 80-C2/PVP-59). En la formulación del procedimiento, se consideran, el efecto de la presión en el esfuerzo circunferencial y de las seis cargas que actúan en la boquilla tan solo la fuerza radial FR y los momentos circunferencial M C y longitudinal M L son tomados en cuenta, tan como se muestra en la figura: M C ...Momento circunferencial. M L ...Momento Longitudinal. R ...Radio medio del tanque. t ...Espesor de pared del tanque. a ...Radio exterior de la boquilla. L ...Distancia desde el “Center Line” de la Boquilla al fondo del tanque. 49 Los nomogramas han sido construidos de manera tal de limitar el máximo esfuerzo circunferencial de membrana debido a la presión y al sistema de cargas, anteriormente descrito, al 110% del esfuerzo admisible de diseño. Para la construcción de los nomogramas, se sigue el siguiente procedimiento: 1. Calcule el parámetro λ λ= a R⋅t 2. Lea los valores de los coeficientes YF , YC y YL de las gráficas P4-A y P4-B del apéndice P del API-650. 3. Calcule los coeficientes: XA L+a = R⋅t R⋅t XB L−a = R⋅t R⋅t XC L = R⋅t R⋅t 4. Se determinan los valores límites: ⎧ . ; 1 − 0.75 ZF = Max ⎨01 ⎩ ⎧ . ; 1 − 0.75 ZL = Max ⎨01 ⎩ ⎧ . ; 1 − 0.75 ZC = Max ⎨01 ⎩ XA ⎫ ⎬ R⋅t ⎭ XB ⎫ ⎬ R⋅t ⎭ XC ⎫ ⎬ R⋅t ⎭ 5. Se construyen los siguientes nomogramas: 50 λ ⎛ ML ⎞ ⎟ ⎜ aYL ⎝ FP ⎠ λ ⎛ MC ⎞ ⎜ ⎟ aYC ⎝ FP ⎠ ZL ZC λ ⎛ FR ⎞ ⎜ ⎟ aYF ⎝ FP ⎠ λ ⎛ FR ⎞ ⎜ ⎟ aYF ⎝ FP ⎠ ZF 6. Con los resultados obtenidos del análisis de flexibilidad se calculan los siguientes puntos: ⎧ λ PA = ⎨ ⎩ 2YF ⎧ λ PB = ⎨ ⎩ 2YF ⎛ FR ⎞ λ ⎛ ML ⎞ ⎫ ⎜ ⎟; ⎜ ⎟⎬ ⎝ FP ⎠ aYL ⎝ FP ⎠ ⎭ ⎛ FR ⎞ λ ⎛ MC ⎞ ⎫ ⎜ ⎟; ⎜ ⎟⎬ ⎝ FP ⎠ aYL ⎝ FP ⎠ ⎭ Donde: FP = γ ( H − L ) π a 2 Fuerza en la boquilla debido a la presión hidrostática a la altura del “center line” de la boquilla. γ ...Peso específico del líquido. H ...Máximo nivel del líquido en el tanque. 7. Si el punto PA cae dentro del primer nomograma y el punto PB cae dentro del segundo, la combinación de cargas FR , M L y FR , M C son aceptables. 51 Ejemplo 5.1 Un tanque de 260 ft de diámetro y 64 ft de altura con un espesor de pared de 1.33”. Posee una boquilla de diámetro exterior 24”, cuyo “center line” se ubica a 24” del fondo del tanque. El análisis de flexibilidad arroja los siguientes resultados: lbf lbf. ft Fx Fy Fz Mx My Mz 5000 800 500 1500 15000 8000 Solución: 1. λ= 12 = 01863 . 260 ⋅ 12 ⋅ 133 . 2. De las gráficas P4-A y P4-B YC = 30.84 YL = 10.96 YF = 2.5895 3. XA = 0.5589 Rt XB = 01863 . Rt XC = 0.3726 Rt 52 4. ZF = Max{01 . ; 1 − 0.75 ⋅ 0.5589} = Max{01 . ; 0.5808} = 0.5808 } = Max{01. ; 0.8604} = 0.8604 ZL = Max{01 . ; 1 − 0.75 ⋅ 01862 . ZF = Max{01 . ; 1 − 0.75 ⋅ 0.3726} = Max{01 . ; 0.7206} = 0.7206 5. FP = 65.25 × 103 lb ( 60 ⋅ 12 − 24)in ⋅ π ⋅ 122 in 3 FP = 20545 lb ⎧ λ ⎛ FR ⎞ λ ⎛ ML ⎞ ⎫ PA = ⎨ ⎟⎬ ⎜ ⎜ ⎟; ⎩ 2YF ⎝ FP ⎠ 2YL ⎝ FP ⎠ ⎭ . 01863 ⎧ 0.1863 ⎛ 5000 ⎞ ⎛ 8000 ⋅ 12 ⎞ ⎫ PA = ⎨ ⎜ ⎟; ⎜ ⎟ ⎬ = {0.0088 ; 0.0066} ⎩ 2 ⋅ 2.5895 ⎝ 20545⎠ 2 ⋅ 10.96 ⎝ 20545 ⎠ ⎭ ⎧ λ ⎛ FR ⎞ λ ⎛ MC ⎞ ⎫ PB = ⎨ ⎟⎬ ⎜ ⎜ ⎟; ⎩ 2YF ⎝ FP ⎠ aYC ⎝ FP ⎠ ⎭ 01863 . ⎧ 0.1863 ⎛ 5000 ⎞ ⎛ 15000 ⋅ 12 ⎞ ⎫ PB = ⎨ ⎜ ⎟; ⎜ ⎟ ⎬ = {0.0088 ; 0.0044} ⎩ 2 ⋅ 2.5895 ⎝ 20545⎠ 12 ⋅ 30.84 ⎝ 20545 ⎠ ⎭ Nomogramas: PA ZL PB ZC La boquilla no falla. Ejemplo 5.2 53 A continuación. se pide hacer la verificación de las boquillas de un tanque atmosférico. Los datos geométricos, junto con los resultados de flexibilidad se presentan en la Tabla 5. &&& a.- Geometría y cargas sobre las boquillas GEOMETRIA CARGAS TANQUE BOQ 1 Rm 5000 [ mm ] Fr [ N ] -156 T 7.94 [ mm ] Mc [ N-m ] 1 tc 1.588 [ mm ] Ml [ N-m ] 124 H 12299 [ mm ] S BOQ 2 BOQUILLA Fr [ N ] -56 a 84.1375 [ mm ] Mc [ N-m ] 54 L 304.8 [ mm ] Ml [ N-m ] -264 Solución: b.- Parámetros para la construcción de los Nomogramas γ = a = 0.4721 R * (T − Tc) Yc = 4.33177 Yf = 1188834 . Yl = 3589546 . Leído del API-650 / Apéndice P ⎧⎪ ⎫⎪ L+a . ; 1 − 0.75 * . Zf = Max ⎨01 ⎬ = 01 ⎪⎩ R * (T − Tc) ⎪⎭ ⎧⎪ ⎫⎪ L−a . ; 1 − 0.75 * . Zl = Max ⎨01 ⎬ = 01 ⎪⎩ R * (T − Tc) ⎪⎭ ⎧⎪ L ⎪⎫ . ; 1 − 0.75 * . Zc = Max ⎨01 ⎬ = 01 ⎪⎩ R * (T − Tc) ⎪⎭ 54 c.- Puntos de Verificación en los Nomogramas Fp=9800*S*H*π*a² / 1000 3 (Fuerza hidrostática en la Boquilla) XpA = XpB = γ ⋅ Fr 2Yf Fp γ ⋅ Fr 2Y f Fp Nomograma P3-A Boq. 1 Boq. 2 Nomograma P-3A XpA -0.01179 YpA 0.07378 XpA -0.00423 YpA -0.15709 YpA = YpB = γ ⋅ Ml aYl Fp γ ⋅ Mc aYc Fp Nomograma P3-B Boq. 1 Boq. 2 XpB -0.011791 YpB 0.0004931 XpB -0.0042328 YpB 0.0266276 Nomograma P-3B Como se puede observar en el nomograma P-3A y P-3B, la Boquilla 1 cumple con lo establecido en el Apéndice P del API - 650, mientras que la Boquilla 2 del Tanque falla a consecuencia del momento longitudinal Ml que sobre ésta impone el sistema de tuberías. 55 Realizadas las modificaciones en la línea, tal como se describe en los planos del Anexo E, las nuevas cargas sobre esta boquilla son: BOQ 2 Fr -56 [N] Mc 54 [ N-m ] Ml -161 [ N-m ] Para esta nueva condición de carga, los puntos obtenidos en el nomograma son los que se muestran a continuación, verificándose que la boquilla cumple satisfactoriamente con lo establecido en el Apéndice P del API - 650. Nomograma P3-A Boq. 2 Nomograma P-3A XpA -0.00423 YpA -0.09580 Nomograma P3-B Boq. 2 XpB -0.0042328 YpB 0.0266276 Nomograma P-3B 56 Bibliografía .- API Standard 610: Centrifugal Pumps for General Refinery Service, Seventh Edition, February 1989. .- API Standard 650: Welded Steel Tanks for Oil Storage, Nineth Edition, Apendix P, 1993. .- Billimoria y Hagstrom (1978),“Stiffness Coefficients and Allowance Loads for Nozzles in Flat Bottom Storage Tanks”. Journal of Pressure Vessel Technology, PVRC, Vol. 100. .- Billimoria y Tam, K.K.(1980), “Experimental Investigation of Stiffness Coefficients and Allowable Loads for Nozzles in Flat Bottom Storage Tanks “, ASME 1980 80C2/PVP-59. .- Wichman, K.R., Hopper, A. G. y Mershon, J. L.(1965), “Local Stresses in Spherical and Cylindrical Shell Due to External Loading”, Welding Research Council (WRC) Bulletin No. 107, Revisado en Marzo de 1979. .- Peng, L. C (1988)., “Local Stress in Vessels - Notes on the Application of WRC-107 and WRC-297 ”, Journal of Pressure Vessel Technology; PVRC, Vol. 110, págs. 106109. .- ASME B31.4: Liquid Transportation Systems for Hydrocarbons, Liquid Petroleum Gas, Anhydrous Ammonia, and Alcohols, 1989 Edition. 57