Aberturas – Principios de Refuerzo
Aberturas en Recipientes y su
Refuerzo
Principios Utilizados en los Diversos
Códigos de Recipientes a Presión
Una Comparación de los Métodos
Utilizados
Author: Ray Delaforce
Aberturas – Principios de Refuerzo
Hay tres métodos básicos que se utilizan actualmente
 Reemplazo de Área
 Área de Presión
 Factor de Concentración de Tensiones (scf: Stress
Concentration Factor)
El reemplazo de área es el método más antiguo –
y el que fue utilizado por primera vez
Fue en la edición 1925 de ASME Sección VIII
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Aberturas – Principios de Refuerzo
Así es como los códigos utilizan los diferentes métodos
ASME
División 1
ASME
División 2
Reemplazo de
Área
Área de
Presión
PD 5500
EN 13445
Concentración
de Tensiones
Reemplazo de área UG-37
Área de Presión Apéndice 1-10
Estos detalles se repiten más tarde en la presentación.
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Método de Reemplazo Área
En primer lugar, se revisará el método de Reemplazo de Área
Aquí está una boquila en una coraza:
Pincipio Básico: Área Removida= Área a Poner de Nuevo
Espesor
Calculado
4
Exceso de
Espesor de la
Coraza
También hay exceso de espesor de la boquilla disponible
Método de Área de Presión
El método de área de presión es ligeramente diferente
Ésta es el Área de Presión – área en la que actúa la presión interna
Éste es el metal que restringe la fuerza de presión
Las fuerzas deberían por lo menos equilibrarse
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Método de Área de Presión
Otro punto de vista hará que el método de área de presión
sea más claro
La fuerza de presión es contrarrestada por la fuerza del metal
Área de Presión x Presión < Área de Metal x Tensión Admisible
Éste es el principio del Método de Área de Presión
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Método de Concentración de
Tensiones
El Método de Concentración de Tesiones es completamente
diferente
Considere una placa con un orificio sujeta a una fuerza de tensión
La tensión aumenta a medida que nos acercamos al orificio
Sa/S se conoce como el factor de concentración de tensiones scf
Pero, ¿cuál es el factor de concentración?
Tensión
Promedio S
Aumento de
Tensión Sa
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Método de Concentración de
Tensiones
El scf se define por medio de la Ecuación de Inglis
Para un círculo: a = r por lo que scf = 3
El método de concentración de tensiones sólo es utilizado
por el PD 5500
Mitad de Longitud
de Abertura a
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Boquilla Grande en un Cilindro
Una boquilla grande en un cilindro plantea un problema especial
Ésta tiende a girar cuando se aplica presión
Debido a la tensión circunferencial que tira de la boquilla
Esto causa que exista un momento de flexión que gira la boquilla
ASME División 1 es el único código que analiza esto
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Boquilla Grande en un Cilindro
Una boquilla grande en un cilindro plantea un problema especial
Ésta tiende a girar cuando se aplica presión
Debido a la tensión circunferencial que tira de la boquilla
Esto causa que exista un momento de flexión que gira la boquilla
ASME División 1 es el único código que analiza esto
Esto está en el Apéndice 1-7
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Detalles de Reemplazo de Área
Cuando se inserta una boquilla en un recipiente, primero se
tiene que hacer un abertura
Después la boquilla es instalada
El agujero es un punto débil que debe tenerse en cuenta
El orificio debe ser reforzado para hacer que sea lo suficientemente
fuerte
El código ASME tiene un procedimiento para refuerzo de boquillas
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Detalles de Reemplazo de Área
Refuerzo de boquillas de acuerdo con ASME VIII, División 1:
Calcular
requerido
de lacon
boquilla
Refuerzoeldeespesor
boquillas
de acuerdo
ASMEpara
VIII,presión
Divisióntrn
1:
Como ya se mencionó, al hacer una abertura en la coraza ésta se
debilita
Prinicipio de ASME: El metal removido debe ser reemplazado
Consideremos ahora el área de metal que se retira
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Detalles de Reemplazo de Área
Calcular
el espesor
t is the actual
platerequerido
thicknessde la boquilla para presión trn
tr es el espesor calculado (requerido) de la coraza
Instalación de Boquila. Ésta es el área a reforzar A
El espesor adicional de la coraza está disponible como refuerzo A1
trn
A1
tr
A1
A
t
13
13
Detalles de Reemplazo de Área
Finalmente,
lasplate
soldaduras
también
pueden para
incluirse
Calcular
el espesor
requerido
de la boquilla
presión trnA4
t is the actual
thickness
Calcular el área disponible de la boquilla
A2
Calcular el área de la boquilla en el interior
A3
Y si hay una almohadilla de refuerzo
A5
trn
A2
A2
A5
A5
A1
A1
t
A
tr
A3
A3
14
14
Detalles de Reemplazo de Área
Finalmente, las soldaduras también pueden incluirse
A4
Todo el refuerzo debe estar dentro de un área específica
Ese es el principio del Reemplazo de Área
Éste es el sencillo requisito para el reemplazo de área:
A2
A2
A5
A5
A1
A1
A3
15
t
A
tr
A3
Detalles de Reemplazo de Área
Ésta
es la ilustración
del principio
dese
ASME
VIII,
DivisiónA4
1
Finalmente,
las soldaduras
también
pueden
incluir
Todo el refuerzo debe estar dentro de un área específica
Ese es el principio del Reemplazo de Área
Éste es el sencillo requisito para el reemplazo de área:
A1 + A2 + A3 + A4 + A5 > A
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Detalles de Reemplazo de Área
Ésta es la ilustración del principio de ASME VIII, División 1
Figura UG-37
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Método de Área de Presión
Considere una boquilla instalada en un cilindro
Ésta es el área sobre la que actúa la presión
Ap
Ésta es el área del metal resistiendo la presión
As
d
tn
Lr
t
Lh
R
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Método de Área de Presión
LR es en realidad la longitud de decaimiento de la tensión como
se muestra aquí
La presión intenta dividir la coraza, pero el metal la mantiene unida
d
tn
Lr
t
Lh
R
Longitud de
Decaimiento
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Método de Área de Presión
LR es en realidad la longitud de decaimiento de la tensión como
se muestra aquí
La presión intenta dividir la coraza, pero el metal la mantiene unida
Éste es el principio básico del Método de Área de Presión
d
tn
Lr
t
Lh
R
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Método de Área de Presión
LR es en realidad la longitud de decaimiento de la tensión como
se muestra aquí
La presión intenta dividir la coraza, pero el metal la mantiene unida
Éste es el principio básico del Método de Área de Presión
Presión x AP < Tensión Permisible x AS
Área sobre la que
actua la presión
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Área sobre la
que el metal
resiste
Método de Concentración de
Tesiones
El scf es un poco más complicado de lo que se mostró previamente
Hay un número de partes a la boquilla
Para un círculo scf = 3
ASME Sección VIII, División 2 demuestra que todo depende de
qué parte de la boquilla (orificio) se está considerando
Echemos un vistazo a lo que la División 2 tiene que decir
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Método de Concentración de
Tesiones
El scf es un poco más complicado de lo que se mostró previamente
Hay un número de partes a la boquilla
División 2 llama al scf ‘Índice de Presión’
Cada tensión tiene
su propio scf
Esquina Exterior
Esquina Interior
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Método de Concentración de
Tesiones
El
scfelescódigo
un poco
másPD
complicado
de el
lo método
que se mostró
previamente
Sólo
inglés
5500 utiliza
scf
Hay un número de partes a la boquilla
División 2 llama al scf ‘Índice de Presión’
El mayor scf
Eso es muy cercano al 3 obtenido de la Ecuación de Inglis
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Método de Concentración de
Tesiones
Sólo
el código
inglés
PD 5500
utiliza
el método
Veamos
a detalle
el método
que
utiliza
el códigoscf
PD 5500
Se utiliza un método gráfico para determinar el scf
Estos números
representan,
básicamente,
los valores scf
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Método de Concentración de
Tesiones
Primero
localizamos
la curvaque
cuyo
valorelescódigo
ρ
Veamos a
detalle el método
utiliza
PD 5500
En primer lugar se calcula un valor llamado ρ
d
ers
D
A continuación se calcula el valor llamado
Donde C = 1 or 1.1 y eps es el espesor calculado de la corza
Estos son los valores que necesitamos para usar la gráfica del PD
5500
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Método de Concentración de
Tesiones
Primero localizamos
valor
ρ
Después
se busca en la
la curva
parte cuyo
inferior
de es
la gráfica
la razón erb/ers
Después se busca el valor de Cers/eps
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Método de Concentración de
Tesiones
Las computadoras
nolapueden
trabajarde
con
gráficos,
Después
se busca en
parte inferior
la gráfica
lanecesitan
razón erb/ers
datos numéricos
A partir de esa relación encontramos el espesor requerido de la
boquilla
Este cálculo simple: erb = ers x (erb/ers)
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Método de Concentración de
Tesiones
Las computadoras no pueden trabajar con gráficos, necesitan
datos numéricos
PD 5500 proporciona los datos del gráfico en forma digitalizada
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Boquillas con Formas Especiales
Considere el
una
boquillaejemplo:
rectangular en un cilindro
Considere
siguiente
Este tipo de boquillas tienen problemas especiales que las
boquillas circulares no tienen
Las fuerzas que actúan sobre los lados de la boquilla son el
problema
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Boquillas con Formas Especiales
Considere el siguiente ejemplo:
Hay
tangenciales
de lasdistribuida
tensiones de
deformación
la
Hay fuerzas
una carga
uniformemente
(udl)
que actúa de
sobre
presión
que empujan a los lados de boquillas como esta
la abertura
La abertura como consecuencia se distorsiona
Las fuerzas son fáciles de calcular
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Boquillas con Formas Especiales
Considere
el siguiente
ejemplo:
Aquí hay una
placa colocada
en el lado de la boquilla
Hay una carga uniformemente distribuida (udl) que actúa sobre
la abertura
El udl es simplemente P x R
La única manera de reforzar esta boquilla es con una placa
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Boquillas con Formas Especiales
Aquí hay una placa colocada en el lado de la boquilla
La placa debe tener un suficientes módulos de sección para
soportar la udl
X
X
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Fuerzas y Momentos Externos
La boquilla podría tener que soportar las fuerzas externas de las
tuberías
Considere una boquilla sujeta a un momento externo
Se deforma como resultado
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Fuerzas y Momentos Externos
Hay tensiones de flexión
Y también existen tensiones de membrana
El esfuerzo combinado es diferente en el exterior y el interior de
la coraza del recipiente (cilindro o en la cabeza)
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Fuerzas y Momentos Externos
Considere sólo cuatro puntos alrededor de la boquilla (método
107 WRC método)
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Fuerzas y Momentos Externos
En cada punto hay tensiones de membrane y de flexión
En realidad, hay 8 puntos a considerar:
 Cuatro puntos en el interior de la superficie
 Cuatro puntos en el exterior de la superficie
El boletín WRC 107 proporciona un método de evaluación de las
tensiones inducidas en la coraza por las fuerzas y momentos
externos
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Método WRC 107
P
MT
VL
MC
VC ML
DU
BU
AU
Fuerza Radial
P
Fuerza Radial
P
Fuerza Circunferencial
AL
DL
38
CL
CU
BL
VC
Momento Circunferencial MC
Momento Longitudinal
ML
Momento de Torsión
MT
Miremos más de cerca el orificio
Método WRC 107
WRC 107 calcula las tensiones de membrane y flexión en
estos 8 puntos
Las tensiones de membrana se suman, y a continuación, las
tensiones de flexión se suman y se comparan con las tensiones
admisibles
DU
BU
AU
Fuerza Radial
P
Fuerza Longitudinal
VL
Fuerza Circunferencial
AL
DL
39
CL
CU
BL
VC
Momento Circunferencial MC
Momento Longitudinal
ML
Momento de Torsión
MT
Miremos más de cerca el orificio
Método WRC 107
A continuación el ejemplo de un cálculo final de PV Elite
Pm es la Tensión General Primaria de Membrana
40
Pl
es la Tensión Local Primaria de Membrana
Q
es la Tensión Secundaria
Sin embargo, éstas son las tensiones en la pared del recipiente
únicamente
Tenemos que considerar las tensiones inducidas en la pared de
la boquilla
Tensiones en la Pared de la
Boquilla
Hay un esfuerzo de membrana y un esfuerzo de flexión en la pared
PV Elite utiliza el método para tubería del código ASME B31.3
Aquí hay un ejemplo de cálculo típico de PV Elite
Momento de Flexión
Fuerza Radial
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Tensiones en la Pared de la
Resumen de la Presentación
Boquilla
Hay un esfuerzo de membrana y un esfuerzo de flexión en la pared
PV Elite utiliza el método para tubería del código ASME B31.3
Aquí hay un ejemplo de cálculo típico de PV Elite
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Resumen de la Presentación
Existen 3 métodos que consideran el refuerzo de aberturas
 Reemplazo de Área
 Área de Presión
 Concentración de Tensiones
Reemplazo de Área
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Área de Presión
Concentración de
Tensiones
Resumen de la Presentación
Existen problemas especiales asociados con grandes boquillas
en cilindros
Sólo ASME VIII, División 1 tiene el análisis en el Apéndice 1-7
44
Resumen de la Presentación
Existen problemas especiales asociados con boquilas
rectangulares en cilindros
45
Resumen de la Presentación
Tensiones inducidas en el recipiente de fuerzas y momentos
externos
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Resumen de la Presentación
Tensiones inducidas en la pared de la boquilla por cargas
externas
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Resumen de la Presentación
Gracias por ver esta presentación.
¿Preguntas?
48