TEMA: Piping System Design
PONENTE: Ing. Frank Marcano
Introducción
▪
Un sistema de tuberías está constituido por un conjunto
de equipos estáticos entre los cuales destacan
principalmente tubos, válvulas, conexiones y demás
accesorios, con la finalidad de conducir fluidos, líquidos o
gaseosos entre diversos puntos de una unidad industrial o
de transporte.
▪
Los accesorios de tuberías son componentes estándares
producidos a partir de diversos materiales como hierro
dúctil, fundición, bronce, acero fundido, forjado y
extruido, siguiendo la especificación y proceso de
fabricación normalizado y regulado por las normas de
diseño asociadas.
▪
El diseño estos sistemas comprende la confluencia de
conjunto de especialidades para asegurar la funcionalidad
de los mismos. Un completo diseño de sistemas de
tuberías
comprende
cálculos
hidráulicos,
dimensionamiento de tuberías, determinación de
pérdidas, cálculo estructural de soportes, análisis térmico,
deformaciones, análisis de estabilidad, entre otros.
Visión global del diseño de sistemas de tuberías
El diseño de un sistema de piping en general consta de dos etapas,
las cuales se describen en la ilustración 1.1.
La Etapa 1: Define las características necesarias para asegurar la
funcionabilidad del sistema de tuberías. Esta etapa no considera las
tensiones generadas por restricciones geométricas debido a la colocación de
apoyos que equilibren el peso y aseguren estabilidad estructural del sistema.
Al finalizar esta etapa, se definen las siguientes características:
▪
▪
▪
Material de tuberías.
▪
Espesor de aislante necesario para asegurar la temperatura interior del
fluido, esto es muy importante en plantas térmicas o de refrigeración.
▪
Layout preliminar. Esto no es definitivo ya que los análisis llevados a
cabo en la segunda etapa pueden variar este resultado preliminar.
▪
Accesorios de recorrido del sistema (codos, Tee, reducciones, etc.). Estos
accesorios definen el recorrido de la tubería que está estrechamente
vinculado con el layout del sistema.
▪
Accesorios de suministro (válvulas de todo tipo, filtros, trampas de
vapor, entre otros). Estos accesorios aseguran que el fluido a transportar
sea entregado de manera correcta y con las condiciones establecidas
por el usuario en los puntos definidos por el mismo.
▪
Accesorios auxiliares (trampas de alivio, válvulas anticipadoras de onda,
entre otros). Estos accesorios alivian las tensiones ocasionadas por los
efectos transitorios como el golpe de ariete.
Diámetro interior de tuberías del sistema.
Espesor de tubería. esta propiedad está directamente relacionada con la
presión nominal de diseño de la tubería.
Visión global del diseño de sistemas de tuberías
La Etapa 2: contempla un análisis de las cargas internas y externas
del sistema considerando las condiciones estructurales necesarias
para posicionar el sistema en cierto espacio definido.
Particularmente, una disciplina de esta etapa: análisis de
flexibilidad, es la que concierte este trabajo. De forma global, los
resultados, al finalizar esta etapa del diseño, son:
•
Layout definitivo del sistema de tuberías. Al finalizar esta etapa,
no siempre, se realizan modificaciones al layout original.
•
Número de apoyos para que el sistema de tuberías no colapse
por su propio peso.
•
Distanciamiento entre apoyos para que el sistema de tuberías
no colapse por estabilidad.
•
Número de elementos auxiliares para aliviar dar mayor
flexibilidad al sistema de tuberías y evitar que este colapse por
los esfuerzos generados por deformaciones durante operación.
•
Número de apoyos adicionales y relocalización de apoyos
existentes, de ser necesario el Análisis de cargas externas
ocasionales.
A manera de resumen, se muestra la Tabla 1.1, la cual muestra el
tipo de análisis, la causa de la falla y los resultados finales
esperados luego de la culminación de algún tipo de análisis.
Análisis Hidráulico
El análisis hidráulico sincroniza el conjunto de dispositivos y accesorios para permitir el traslado de una determinada cantidad de fluido, hasta el área
destinada, minimizando las pérdidas y maximizando la eficiencia, desde la captación, conducción, distribución y aplicación en el proceso.
Materiales para sistemas deTuberías
MATERIAL
CARBON STEEL
TUBERÍA
A 53-B, A106-B
API 5L
ACCESORIOS
OLETS
BRIDAS
A 234-WPB
A-105
A-105
GALV
GALV
B-62
A-350-LF1
A-350-LF1
A-350-LF1
A-350-LF2
A-350-LF2
A-350-LF2
A 182-F1/F11/F12
A 182-F1/F11/F12
GALVANIZED
GALV
GALV
CARBON STEEL
LOW TEMP.
A-333-1
A-420-WPL6
ALLOY STEEL
A335-P1/P11/ P12
A 234-WP1/P11/
P12
VÁLVULAS
A -105
A-216-WCB
A 217-WC6
A 182-F11
A 312-TP304
A403-WP304
A 182-F304
A 182-F304
A 182-F304
A 312-TP316
A403-WP316
A 182-F316
A 182-F316
A 182-F316
COBRE
ASTM B-42
ASTM B-42
ASTM B-42
ASTM B-42
ASTM B-42
PVC, HDPE
ASTM D-1785
ASTM D-2241
ASTM D-1785
ASTM D-2241
ASTM D-1785
ASTM D-2241
ASTM D-1785
ASTM D-2241
ASTM D-1785
ASTM D-2241
FRP
ASTM D-2997
ASTM D-2997
ASTM D-2997
ASTM D-2997
ASTM D-2997
STAINLESS STEEL
Tuberías
Las tuberías se caracterizan por su diámetro
nominal y su “Schedule/Espesor”. El
espesor vendrá determinado por las
condiciones de presión y temperatura. Las
dimensiones y características, para tuberías
son dadas por la norma ASME B36.10 (acero
al carbono) y ASME B36.19 (acero
inoxidables)
Accesorios ButtWeld
Un accesorio de tubería se define como una
parte utilizada en un sistema de tuberías,
para cambiar de dirección, bifurcación o
para cambiar el diámetro de la tubería, y
que se une mecánicamente al sistema. Los
accesorios se dividen en tres grupos:
•
Accesorios soldados a tope (BW) cuyas
dimensiones, tolerancias, pesos y
características están definidas en las
normas ASME B16.9. Los accesorios
livianos resistentes a la corrosión se
fabrican según MSS SP43.
Accesorios Socket y Threaded
Socket Weld: En la fabricación de este tipo de
conexión, un tubo se inserta en un área rebajada
del accesorio, o se conecta con un extremo de
espiga liso. Los accesorios de tubería de
soldadura de socket se utilizan para líneas que
transportan materiales inflamables, tóxicos o
costosos donde no se puede permitir ninguna
fuga, y para vapor de 300 a 600 psi. Los
accesorios de tubería SW son una familia de
accesorios de alta presión y están disponibles en
tres clasificaciones de presión: Clase 3000, 6000 y
9000. Se definen en las normas ASMEB16.11.
Threaded: Estas juntas permiten una fácil
instalación, remoción o reemplazo de tuberías,
válvulas y conexiones; se utilizan cuando se
considera un desmontaje futuro, mantenimientos
frecuentes, cuando no es posible la aplicación de
soldadura en su instalación o cuando hay flujo de
conducción en las tuberías. Este tipo de unión es
común para medidas desde 1/8″ 3mm, hasta 6″
152mm. Los roscados (THD) Clase 2000, 3000,
6000 se definen en las normas ASMEB16.11.
Accesorios Tipo Olet
Es una conexión de derivación reforzada que se
utiliza para conectar pequeñas derivaciones de
tuberías de mayor tamaño. Esta es una
alternativa a la bifurcación. En lugares donde la
T reductora no es conveniente, los olets son
ampliamente utilizados y están diseñados en
base a MSS SP-97 o ASME B 31.3. Hay
disponibles diferentes tipos:
•
Weldolet: Es una conexión de ramal a 900 y
está disponible a partir de Ø2″. Son
adecuados para alta temperatura y
presión.
•
Sockolet: También son conexiones de
derivación a 900, pero se usan para
conectar tuberías soldadas a encaje de
diámetro pequeño a partir Ø1-1/2”.
•
Thredolet: Son accesorios semejantes a los
Sockolet, pero adecuados para conectar
accesorios roscados de diámetro pequeño
a conexiones de tubería soldadas a tope.
Accesorios Tipo Olet
•
Latrolets: son conexiones olets que sirven para hacer
derivaciones tipo ramal a 45°, y como todos los olets, van
soldados sobre una superficie tubular. Un latrolet es para
montarse en tubería recta.
•
Elbolet: Se utiliza en codos de radio largo de 90° (se puede
fabricar para codos de radio corto) para conexiones de
instrumentación y termopozos a soldadura a tope
disponible para cumplir con los requisitos de refuerzo
específicos, para aplicaciones roscadas y de soldadura a
encaje.
•
Sweepolet: Es una conexión de derivación contorneada,
integralmente reforzada, soldada a tope con un factor de
intensificación de tensión bajo para tensiones bajas y una
larga vida útil a la fatiga. La soldadura de unión se examina
fácilmente mediante radiografía, ultrasonido y otras
técnicas estándar no destructivas. Fabricado para cumplir
con sus requisitos de refuerzo específicos.
•
Nipolet: Es un accesorio de una pieza para tomas de
válvulas, drenajes y venteos. Fabricado para aplicaciones
extra fuertes, en longitudes de 3-1/2" a 6-1/2". Disponible
con salidas macho para soldar o rosca macho.
Normas de Diseño
Las normas más utilizadas en el análisis de sistemas de
tuberías son las normas de la American Society of
Mechanical Engineers ASME. Cada uno de estos
códigos recoge la experiencia de numerosas empresas
especializadas,
investigadores,
ingenieros
de
proyectos e ingenieros de campo en áreas de
aplicación específicas, a saber:
•
•
B31.1 - Power Piping
•
B31.4 - Liquid Transportation System for
Hydrocarbons, Petroleum Gas, Andhydroys
Anmonia and Alcohols
•
•
B31.5 - Refrigeration Piping
•
B31.9 - Building Services Piping
•
•
B31.11 - Slurry Transportation Piping System
B31.3 - Chemical Plant and Petroleum Refinery
Piping
B31.8 - Gas Transmisión and Distribution Piping
System
En lo que concierne al diseño todas las normas
son muy parecidas, existiendo algunas
discrepancias con relación a las condiciones de
diseño, al cálculo de los esfuerzos y a los factores
admisibles.
Soportes Flexibles
Se colocan en las zonas de apoyo para aliviar las cargas debido al peso de
tuberías, aislantes, fluido y accesorios, este alivio se produce generando
esfuerzos en sentido contrario a la deformación. Este tipo de solución tiene dos
principales funciones:
1. Aliviar las deformaciones causadas por efectos térmicos, cargas externas o
cargas ocasionales (sismos, desastres naturales, etc.)
2. Brindar soporte a los sistemas de tuberías, es decir, puntos de apoyo.
Este tipo de soportes funciona gracias al principio de deformación elástica (de
forma parecida que las juntas de expansión) y está construido con resortes
internos. Estos pueden ser de carga constante o carga variable.
Carga constante (constant hanger): Se utiliza cuando la variabilidad es menor al
6 %12.
El objetivo de utilizar soportes de carga constante es mantener las cargas de la
tubería durante la expansión o contracción térmica equilibradas. Este tipo de
soporte se utiliza cerca de equipos críticos, ya que no permite que la carga se
transmita hacia otros tramos del sistema.
Soportes Flexibles
Carga variable (spring hanger)
Este tipo de soporte se utiliza cuando la variabilidad es máximo 25 % y
cuando no se encuentran equipos críticos cerca al tramo a instalar. En la
Ilustración 3.8 se muestras formas constructivas comunes para instalar
este tipo de soporte. La selección de este tipo de soporte se realiza con
dos elementos:
carga en condiciones frías y desplazamiento máximo.
La carga en condiciones frías se calcula utilizando la siguiente expresión:
Soportes Rígidos
Soportes Estructurales
Soportes Trunion y Zapata
Soportes Limit Stop
Soportes Tipo Guía
La codificación de un soporte estándar viene dada en función de los parámetros que lo
describen. Para cada uno ellos, esta codificación está indicada en el punto
“IDENTIFICACIÓN DE SOPORTE TÍPICA” Algunos de estos parámetros pueden ser
decididos por el diseñador de tuberías, otros, aquellos que dependen de la carga sobre
el soporte, serán decididos por los analistas de flexibilidad.
Representación de Restricciones
Categorización de Líneas
Consiste en definir qué grado de criticidad tienen para establecer qué tipo de
estudio y con qué grado de detalle es necesario realizar el análisis de flexibilidad
de dicho sistema. Esta categorización se realiza en última instancia según la
experiencia del analista, pero en una primera aproximación, la categoría de las
líneas se establece según:
CATEGORÍA I: Estas son líneas de alta criticidad que deben ser detectadas al inicio
del proyecto, deben realizárseles estudios previos para establecer su ruta y
posible suportación. El análisis de estas líneas debe realizarse mediante un
software de simulación. A esta categoría pertenecen:
• Líneas de alta presión.
• Líneas de trasferencia a hornos.
• Líneas de gran diámetro (D ≥ 48” o 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 (GNL).
• Líneas con juntas de expansión.
• Líneas con temperaturas superiores a los 400 °C.
• 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.
CATEGORÍA II: Estas líneas requieren un análisis formal por ordenador. En esta
categoría se encuentran:
• Líneas conectadas a bombas y compresores alternativos, bombas y
compresores centrífugos y turbinas que cumplan con lo siguiente:
➢ Diámetros mayores a 3” y temperaturas ≥ 65 °C o ≤ 6 °C.
➢ Diámetros mayores a 12” y temperaturas ≥ 50 °C o ≤ 6 °C.
• Líneas conectadas a enfriadores por aire.
•
Líneas conectadas a recipientes a presión (ASME sección VIII div. 1 y
2)
• Líneas conectadas a hornos y calderas.
• Líneas sometidas a vibraciones.
• Líneas sometidas a fatiga con ciclos menores a 22000.
• Líneas conectadas a equipos de aluminio.
• Líneas sometidas a cargas ocasionales importantes y que requieran
de algún análisis dinámico.
CATEGORÍA III: Las líneas incluidas en esta categoría tienen que ser
analizadas obligatoriamente, pero no necesariamente por métodos
computarizados. Se puede hacer uso de métodos manuales. A esta
categoría pertenecen:
• Todas las líneas conectadas a equipos sensibles que no se incluyan en
la categoría II por su tamaño y temperatura.
• Líneas clasificadas como Power Plant Piping según el ASME B31.1.
CATEGORÍA IV: En esta categoría se encuentran todas las líneas que solo
requieren de un análisis visual. Como:
• Líneas que sean reemplazos de líneas existentes, cuyos cambios no
sean significativos.
• Líneas o conjuntos de líneas que tengan diseños iguales a líneas y
sistemas existentes dentro de la planta y que tengan las mismas
condiciones de operación y diseño.
Categorización de Líneas
•
Líneas que por semejanza a estudios previos realizados, pueda desecharse el
efectuar un cálculo.
En la figura se muestra la categorización de los sistemas de tuberías en función de
su diámetro y su temperatura.