TEMA 3.
DIMENSIONAMIENTO
¿Cómo dimensionamos nuestra línea? ¿Qué
factores debemos tener en cuenta cuando
elegimos un espesor? ¿el diámetro escogido es el
apropiado? En este tema analizaremos todas las
condiciones de contorno que determinarán el
diámetro y espesor de nuestra línea para su
correcto desempeño
Curso Proyectista Piping Avanzado. Formación Industrial©
Tema 3. Dimensionamiento Hidráulico y Mecánico
Dimensiones
Las dimensiones de las tuberías tal y como se indicaba en el tema anterior serán función de
las Normas estandarizadas.
Aun así, se pueden definir diámetros y espesores no normalizados pero que encarecen el
proceso de fabricación y por tanto suministro de tubería.
A continuación, adjuntamos tablas de dimensiones estándar de tuberías para diferentes
Normas o Códigos de Diseño:
ASME
Para aceros al carbono y aleados de baja o alta aleación se utiliza la normativa dimensional
B36.10 o API 5L que, en la mayoría de los casos están acompañados con los inoxidables
B36.19 en la misma tabla (podéis encontrar esta tabla en la plataforma).
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Espesores y pesos según ASME B36.10/19 Fuente: Peninsular Steel Tubes
Podéis observar como a partir de ciertos diámetros los espesores se reducen a XS y STD y
es porque a partir de cierto diámetro no sale rentable adoptar un espesor inmediatamente
superior, sino realizar los diseños a medida.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
La relación entre diámetros nominales y pulgadas normalmente se realiza según la
siguiente tabla:
Equivalencia NPS DN. Fuente: Valvuas.com Norma ISO 6708
DIN
La normativa dimensional para las tuberías DIN suele ser más extensa ya que recoge tres
series diferentes para un mismo diámetro nominal, e incluso el diámetro exterior de dichas
series. Para la serie de uso más común (serie 1) se adjunta los diferentes espesores según la
normativa según las distintas normas dimensionales:
•
ISO R-65: Tubería de acero sin soldadura.
•
DIN 2440 /2441: Tubería de acero sin soldadura EN 10255 Series M y H S 195T.
•
DIN 24480: Tubería de acero sin soldadura para uso mecánico EN 10297-1.
•
DIN 2458: Tubería de acero soldado EN 10217.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Dimensiones y pesos DIN/ISO. Fuente: climatizacionyenergia.globspot.com
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Tened en cuenta que para cada normativa dimensional DIN aparecen diferentes opciones
(o series) de elección tanto de diámetro exterior como de espesores. A modo de ejemplo
ver la tabla DIN2448 (podéis encontrarla en mejor calidad en la plataforma para su uso):
Tabla DIN 2448. Fuente: rohrhandelweidner.de
Datos de diseño.
Antes de calcular el espesor y, por tanto, definir las dimensiones o especificación de una
tubería y accesorios, deberemos de conocer varios aspectos a tener en cuenta:
Temperatura mínima de diseño del metal (MDMT)
Siempre que realicemos el diseño de un sistema de tuberías, seleccionaremos el esfuerzo
admisible del material dependiendo de la temperatura de diseño. Ahora bien, como se ha
mencionado anteriormente, debemos estar seguros de que nuestro material es el
apropiado según los requerimientos de temperatura mínima del metal.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Aunque habitualmente se relacione la MDMT con la temperatura mínima del
emplazamiento, este parámetro, como su nombre indica, es una propiedad del material, no
del lugar de instalación.
A continuación, como ejemplo, se especifica cómo determinar la MDMT según diferentes
Normativas:
a) Comprobación según B31.3
Según el código B31.3, la comprobación de la mínima temperatura a la que un material
presenta adecuados niveles de tenacidad es muy simple. El procedimiento es el siguiente:
1)
Determinar cuál será la temperatura mínima ambiente a la que estará sometido
nuestro sistema.
2) Una vez que hemos seleccionado nuestro material, ingresamos a la tabla A1 del
apéndice A y vemos que la menor temperatura para la cual encontramos esfuerzos
admisibles es -29º C. Estos valores son estadísticos de acuerdo con numerosas
experiencias, pero podrían variar respecto de una colada en particular.
3) Una vez determinada la MDMT se compara con la temperatura ambiente mínima;
Si la MDMT es menor que la temperatura ambiente mínima, nuestro material puede
operar a la temperatura requerida. Por el contrario, si la MDMT es mayor a la
temperatura mínima ambiente, debemos proceder de la siguiente manera:
•
Si la diferencia entre temperaturas es relativamente pequeña, podemos realizar un
ensayo de impacto (CHARPY) para no basarnos en los datos estadísticos del código,
sino en datos concretos de nuestra tubería.
•
Si se ha realizado el ensayo de impacto y se ha determinado que el material no es
apto para la temperatura ambiente, debemos seleccionar otro material.
Cuando encontremos una letra en lugar de una cifra, la MDMT se determina trabajando
conjuntamente con la tabla 323.2.2, la tabla A1 del apéndice A y la gráfica 323.2.2A.
b)
Comprobación según B31.1
La Normativa ASME B31.1 no enumera las temperaturas mínimas de diseño a pesar de que
algunas especificaciones de materiales enumeradas en esta norma tienen temperaturas de
transición del metal por debajo de las cuales el comportamiento frágil se vuelve evidente.
En este caso ASME B31.1 incluye, indirectamente, requisitos asociados con el diseño a baja
temperatura a través de una referencia a B31T en el párrafo 124.1.2.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Aunque los diseños según ASME B31.1 no requieran de una especificación explícita de la
MDMT, el buen juicio del diseñador debe considerarla ya que los diseños de ASME B31.1 sin
una MDMT definida, no cumplirán con ASME B31.3.
c) Comprobación según B31.4
En este caso pasa exactamente igual que para el código B31.1. No se especifica un método
para determinar la MDMT, sino que se encuentra listada en la tabla 403.2.1-1, en la sección
de esfuerzos admisibles. El procedimiento de comparación entre temperaturas es el mismo
que el indicado más arriba.
d)
Comprobación según B31.8
Nuevamente, para este código no se establece un método para determinar la MDMT, sólo
se advierte a los diseñadores de los efectos de la baja temperatura. En el alcance del código
(punto 802.12) se indica que el código no aplica a tubería que deban ser diseñadas para una
temperatura menor a -29º C; por esto, consideramos la cifra indicada como límite mínimo
para la temperatura del metal.
Temperatura y presión
En algunos casos el efecto de la temperatura sobre bridas y válvulas determina los extremos
de mínima resistencia de una tubería al disminuir la tensión admisible del material.
La presión origina tensiones en todos los elementos y componentes de la tubería. En el caso
de los elementos de unión, bridas, válvulas, manguitos etc., la combinación de los dos
factores de presión y temperatura inciden en el cálculo del dimensionamiento de estos
elementos.
La presión de diseño será un valor máximo por encima de las presiones más severas de
operación del sistema junto con la temperatura de operación normal del sistema.
Para una tubería y sus accesorios las condiciones de presiones / temperaturas más severas
serán aquellas para las que resulte un cálculo de espesor mayor y una clasificación o rating
más alta para los componentes de tuberías. Así siempre estaremos del lado de la seguridad.
El mínimo espesor de pared para cualquier tubería sometida a presión interna o externa es
una función de:
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
•
El esfuerzo permisible para el material de la tubería.
•
La presión de diseño.
•
El diámetro de diseño de la tubería.
•
La corrosión admisible.
El dimensionamiento de una tubería sometida a presión externa será función de la longitud
de la tubería, pues la longitud influye en la resistencia a colapso de la tubería. Por último, es
importante tener en cuenta que el mínimo espesor de pared de cualquier tubería debe
incluir la tolerancia apropiada de fabricación (ver SA-530).
El concepto de “temperatura de diseño” es la temperatura del metal que representa la
condición más severa de presión y temperatura coincidentes. Para componentes de tubería
con aislamiento externo, la temperatura de diseño será la máxima temperatura del fluido
contenido.
Esfuerzo admisible
El esfuerzo máximo admisible deberá ser función de la temperatura de diseño. No siempre
es más adecuado utilizar el material con mayor esfuerzo admisible ya que el factor principal
que afecta al espesor de la tubería es la presión interna. El esfuerzo admisible del material
está directamente relacionado con el espesor ya que, a mayor esfuerzo admisible, menor
espesor requeriremos.
Corrosión
En términos técnicos, la corrosión ha sido definida como el deterioro o destrucción de un
material metálico, ocasionado por el ataque electroquímico del medio que le rodea.
La vida útil de los equipos en distintas industrias se ve reducida frecuentemente como
resultado de las corrosiones, es por ello por lo que se ha dado especial atención a su estudio,
lográndose resultados importantes con respecto a la detección y control de las mismas.
Para fines prácticos es casi imposible eliminar la corrosión y es por ello por lo que la labor
efectiva de la ingeniería en este campo radica más en su control que en su eliminación, de
ahí la importancia del entendimiento de los mecanismos de corrosión a fin de tomarlos en
cuenta desde el diseño de los equipos.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Corrosión uniforme. Fuente: ddcoatings.co.uk/
Todos los metales y aleaciones son susceptibles a la corrosión, no existiendo materiales
útiles para todas las aplicaciones, por ejemplo: el oro se corroe rápidamente con el mercurio,
pero posee una excelente resistencia al ataque corrosivo de la atmósfera, por otro lado, el
acero es muy resistente al ataque del mercurio, pero se oxida fácilmente estando expuesto
a la atmósfera.
Afortunadamente se cuenta con una amplia gama de metales que pueden comportarse
satisfactoriamente en medios específicos, contándose además con métodos de control de
la corrosión que reducen considerablemente el problema. Con frecuencia, las paradas de
producción en las Plantas ocurren como resultado de la corrosión, provocando pérdidas
directas e indirectas de aspectos económicos y humanos.
Dentro de los aspectos que generan pérdidas económicas en una Planta destacan:
•
Reposición del equipo.
•
Coeficientes de seguridad y sobre diseño.
•
Paros de producción.
•
Contaminación de productos.
Dentro de los aspectos que generan pérdidas humanas y repercusión social se tienen:
•
Incendios, explosiones y liberación de productos tóxicos.
•
Contaminación ambiental.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
•
Agotamiento de los recursos naturales no renovables, tanto en metales como en
combustibles empleados para la fabricación de los equipos.
Naturalmente los aspectos sociales y humanos tienen también consecuencias económicas,
por lo que resulta difícil nombrar todas las razones que justifican el estudio de la corrosión
y su control.
Existe varios tipos de corrosión y tipos de clasificaciones según cómo se produce o el motivo
principal por el que da comienzo la corrosión.
Una clasificación aceptable se podría definir por el motivo que origina la corrosión, aunque
normalmente se clasifican por la forma de manifestarse.
Formas de Manifestación de la Corrosión
1)
Corrosión uniforme
El metal es atacado química o electroquímicamente sufriendo una pérdida de superficie. El
ataque se extiende casi por igual por toda la superficie, aunque a veces el ataque se localiza
siendo en determinadas zonas el ataque más localizado con mayor pérdida de metal.
Aun siendo uniforme, si el medio es muy agresivo, en poco tiempo la disminución del
espesor en el objeto metálico es tal que se pierden sus características mecánicas, por lo
tanto, en muy pocas ocasiones es recomendable utilizar un metal sin ninguna protección,
dejándolo a corrosión libre y, cuando se hace, no hay que olvidar sobredimensionar de
forma adecuada.
Ejemplo de corrosión uniforme. Fuente: chemistryworld.com
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
2) Corrosión por picaduras
Este tipo de corrosión denota la existencia de una pequeña zona anódica frente a una
catódica grande. La corrosión se concentra en la zona anódica hasta llegar incluso a la
perforación del metal. La rotura local de los revestimientos pasivos que protegen las
superficies metálicas sumergidas o enterradas son también origen de picaduras.
Ejemplo de corrosión por picaduras. Fuente: areametalurgia.com
3) Corrosión intergranular
Se presenta cuando en los bordes de grano (éstos se forman en el proceso de cristalización
de metales) hay un empobrecimiento de un componente de la aleación. El ataque se
presenta cuando el borde del grano es anódico respecto al grano en sí (pequeña área
anódica frente al área catódica grande). Se trata de una corrosión localizada muy grave.
Ejemplo de corrosión intergranular. Fuente: es.worldironsteel.com
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
4) Corrosión selectiva
Se presenta en aleaciones en las que los elementos aleantes difieren bastante entre sí por
sus potenciales electroquímicos. El elemento más electronegativo, que será el más activo y
por tanto el ánodo, se disuelve quedando una estructura esponjosa de malas propiedades
mecánicas.
Ejemplo de corrosión selectiva. Fuente: freejpg.com
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Cálculo de espesor en tuberías
Cálculo de espesor teórico por presión interna
Para el cálculo teórico del espesor más adecuado de tuberías para soportar un estado de
cargas concreto, consideraremos una serie de premisas:
•
r/t> 10, siendo r el radio y considerando t (espesor) constante.
•
Material lineal, isótropo y homogéneo.
•
Distribución de tensiones constante en el espesor.
•
Zona analizada lejos de los extremos.
•
No existen discontinuidades en nuestra línea.
La tubería se analiza bajo estas consideraciones como cilindro de “pared delgada”
simplificando así los cálculos.
Si aislamos una sección de estudio:
Y hacemos un equilibrio de fuerzas:
En la figura mostrada anteriormente se aprecia que la resultante de la presión distribuida
en el diámetro (p) deberá ser equilibrada por sendos esfuerzos de tracción (T), distribuidos
uniformemente a su vez en el espesor de la tubería y configurando las dos fuerzas
equilibrantes “T”.
En efecto, considerando una longitud unitaria de conducción (L =1 m) se tiene que:
𝑃𝐷 = 2𝑇 = 2𝑒𝜎
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Y despejando, obtenemos el valor del espesor:
𝑒=
𝑃𝐷
2𝜎
Siendo:
•
e = espesor de la tubería de material homogéneo.
•
P = presión interna (actuante en el plano horizontal que contiene al eje).
•
σ = esfuerzo admisible del material correspondiente a las condiciones de diseño.
O lo que es lo mismo, de forma más exacta se debería hacer equilibrio de fuerzas en
direcciones longitudinales y radiales:
e
Equilibrio de fuerzas radiales:
∑ 𝐹𝑥 = 0
Siendo:
•
Fx = Sumatorio de Fuerzas en X.
Y siendo cada una de las fuerzas:
•
F = PAp
•
F = σt A
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Haciendo equilibrio de dichas fuerzas:
2(𝜎𝑡 𝐴) − 𝑃𝐴𝑝 = 0
Sabiendo que:
•
Ap= 2rL
•
A= 2eL
•
L= 𝜕𝑦 (tramo infinitesimal)
Y sustituyendo los anteriores valores en el equilibrio de fuerzas obtenemos:
2(𝜎ℎ 𝑒𝜕𝑦 ) − 𝑃2𝑟𝜕𝑦 = 0
Y sabiendo que:
𝜎ℎ =
𝑃𝑟
𝑒
Despejando obtenemos:
𝑒=
𝑃𝐷
2𝜎ℎ
Obteniendo así el valor del espesor que debe tener nuestra tubería sometida a presión
interna.
Si ahora hacemos equilibrio de fuerzas longitudinales:
e
∑ 𝐹𝑦 = 0
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Siendo:
•
Fy = Sumatorio de Fuerzas en Y
Y siendo cada una de las fuerzas:
•
F = pAp
•
F = σl A
Haciendo equilibrio de dichas fuerzas:
(𝜎𝑎 𝐴) − 𝑃𝐴𝑃 = 0
Siendo:
•
Ap= πr2
•
A= π(r02-r2)
Y sustituyendo los anteriores valores en el equilibrio de fuerzas obtenemos:
𝜎𝑎 𝜋(𝑟02 − 𝑟 2 ) − 𝑃𝜋𝑟 2 = 0
Y sabiendo que:
𝜎𝑎 =
𝑃 𝑟2
𝑟02 − 𝑟 2
𝑟0 = 𝑟 + 𝑒
Y teniendo en cuenta que r/t<10 y despejando entonces obtenemos que:
𝜎𝑎 =
𝑒=
𝑃𝑟
2𝑒
𝑃𝐷
4𝜎𝑎
Obteniendo el espesor recomendado por equilibrio de fuerzas en el eje Y.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Los diferentes códigos de diseño proporcionan fórmulas de espesores que parten de esta
expresión simplificada. Cada normativa o código facilita sus tensiones máximas admisibles
y sus coeficientes de seguridad de acuerdo con las solicitaciones y con los sistemas en los
que la tubería participa.
La deducción anterior se corresponde a tuberías de “pared delgada”, es decir, de
relativamente poco espesor frente al diámetro. Cuando los espesores superan la anterior
relación con respecto al diámetro (2 veces el radio) , la distribución de presión a lo largo del
espesor no es constante.
Por ello, para obtener el espesor para “tuberías de pared gruesa”, la deducción se realiza de
acuerdo con la “Teoría general de la elasticidad y resistencia de materiales”. Es
notablemente más compleja, al ser considerada la distribución no uniforme en el espesor
y, por tanto, la dejaremos fuera del presente estudio al considerarse un caso fuera del
ámbito de uso general del piping.
A continuación, veremos las expresiones dadas por los distintos códigos de diseño,
modificando las expresiones anteriores con distintos coeficientes para “ajustar” el cálculo
de acuerdo con la aplicación.
Pero antes daremos una breve introducción a unas nociones previas de interpretación
antes de pasar al cálculo.
Ejercicio propuesto:
Una tubería de acero con diámetro interior de 12 in ee utiliza para transportar vapor a una
presión de 1000 psi. La tensión tangencial máxima se limita a 10 Ksi a causa del tipo de
construcción de la misma. ¿Qué espesor debo considerar según los cálculos anteriores?
Solución:
𝐷𝑖 = 12,75 𝑖𝑛 ; 323,85𝑚𝑚
𝑒=
𝑃 = 1000 𝑝𝑠𝑖; 70
𝐾𝑔
𝑐𝑚2
𝑆 = 10000 𝑝𝑠𝑖; 700
𝐾𝑔
𝑐𝑚2
𝑃𝐷
→ 𝑒 = 0,6375 𝑖𝑛; 16,1925𝑚𝑚
2𝜎ℎ
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Información necesaria previa al cálculo a través de los códigos
Para el cálculo del espesor de pared de tuberías, debemos conocer los siguientes
parámetros:
•
Presión de diseño interior/exterior.
•
Temperatura de diseño.
•
Especificación del material de la tubería.
•
Esfuerzos: admisible, fluencia, máximo.
•
Verificar obligatoriedad de normativas (ASME, API).
•
Diámetro de la tubería (exterior o interior).
•
Longitud de la tubería.
•
Código aplicable (B31.3, B31.4, B31.8, etc.).
Para determinar el espesor de pared, de forma general, tomaremos el mínimo diámetro
interno obtenido del cálculo de flujo, dimensionaremos el espesor necesario según la
presión y, por último, seleccionaremos el diámetro exterior comercial según las
dimensiones normalizadas (ASME B36.10, B36.19, API 5L o DIN 2448,…..).
Consideraremos una presión y temperatura de diseño basados en los requerimientos de
procesos del sistema. Junto con las propiedades del fluido y las condiciones ambientales
determinaremos las condiciones de corrosión (esta última puede consultarse en el know
how del proyecto o al propio fabricante del material)
El proceso general de dimensionamiento de tuberías, es el siguiente:
1.
Basándonos en el fluido, el servicio y la temperatura, seleccionaremos un material
que se ajuste a estos requerimientos; si fuere necesario, estableceremos los límites
de corrosión admisible.
2. Usaremos las ecuaciones indicadas en los códigos de aplicación para determinar el
espesor de pared mínimo requerido. Recordad tener en cuenta la tolerancia de
fabricación de tuberías (-12,5%).
3. Nos referiremos a la especificación de tuberías (ASME 36.10, ASME 36.19, API 5L)
elegida para el proyecto y seleccionaremos el espesor comercial o “Schedule”
superior más próximo. Aunque tened en cuenta que para diámetros muy grandes
(a partir de 26” los espesores serán los calculados y la tubería será hecha a medida
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
en la mayoría de los casos. Salvo que los Schedule STD o XS cumplan con los
requisitos a nivel técnico y económico).
4. Verificaremos que el diámetro interior de la tubería seleccionada cumple los
requerimientos mínimos del cálculo de flujo y con esto damos por terminado el
diseño.
¡Vamos con los Normas de Diseño!
Cálculo de acuerdo a ASME B31.1 “Power Piping”
El alcance de este código se refiere a las tuberías o sistemas pertenecientes a centrales
eléctricas, centrales de generación de energía, sistemas de calentamiento geotérmico y
sistemas centrales de calentamiento y enfriamiento. De cualquier manera, como siempre
sucede con las especificaciones, debemos verificar la aplicabilidad de nuestro código en la
sección de “Scope” en el código.
1)
Cálculo por presión interior
De acuerdo con el párrafo 104.1.2 del código, el espesor requerido para secciones rectas de
tuberías está dado por:
𝑡𝑚 =
𝑃𝐷𝑜
+𝐴
2(𝑆𝐸 + 𝑃𝑦)
Donde:
•
tm: mínimo espesor requerido incluyendo: requerimientos mecánicos y corrosión
admisible.
•
P: Presión de diseño interior.
•
Do: Diámetro exterior de la tubería.
•
SE: Esfuerzo admisible del material de la tubería combinado con la eficiencia de
junta de la tubería según su método de fabricación; tablas contenidas en el apéndice
A según el material.
•
E: Eficiencia de junta. Si se presentara la situación de no disponer del esfuerzo
admisible de un material o si no sabemos qué eficiencia le corresponde a nuestra
tubería, podemos consultar la tabla 102.4.3.
•
y: Factor de diseño adimensional dependiente del material y la temperatura, tabla
104.1.2(A). Cuando D0/tm < 6, el valor de “y” se obtiene según la siguiente expresión:
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
𝑦=
•
𝑑
𝑑 + 𝐷𝑜
A: Sumatoria de sobre-espesores: por roscado, tolerancias de fabricación y corrosión
admisible. Para considerar las tolerancias de fabricación podéis consultar la SA-530
(± 12,5%).
Tabla 104.1.2(A) Valores de y. Fuente: ASME B31.1
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Tabla 102.4.3 Factores longitudinales de eficiencia de junta. Fuente: ASME B31.1
2) Cálculo por presión exterior.
Normalmente una tubería no se encuentra sometida a presión exterior para sistemas
generadores de potencia, pero sí que pueden darse casos en los que la tubería esté
operando en condiciones de vacío, por tanto, las consideraciones de presión exterior en este
caso sí cobran sentido.
Para calcular el espesor de tuberías sometidas a presión exterior, el procedimiento descrito
en el código ASME SEC VIII, DIV.1, UG-28 a UG30 debe usarse según lo indicado en el punto
104.1.3.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
a)
Verificación del espesor adoptado
Siendo P la presión exterior requerida, ya sea por condensación interior y vacío o por presión
exterior, los pasos a seguir son:
Tuberías con ratios D/t ≥ 10
Asumir un valor de t (normalmente se toma el obtenido por presión interior) y
determinar los ratios L/D y D/t; siendo L= Distancia total de la tubería entre líneas soporte
(cabezales –h/3-, rigidizadores, bridas, etc.)
Con el valor obtenido de L/D y D/t, ingresar a la figura G, en la sub-parte 3 de la sección II,
parte D del código ASME y determinar el valor del factor A.
Con el valor obtenido de A, ingresar en las tablas de la sub-parte 3 de la sección II, parte D
del código ASME, interceptar con la temperatura de diseño y determinar el factor B.
¡Atención! Debemos trabajar con la tabla que se ajuste a nuestro material, en este caso el
esfuerzo de fluencia (Specified Minimum yield strengh) debe estar acorde a lo tabulado. Si
nuestro valor de A cae hacia la derecha de los valores incluidos en la gráfica, usar el último
valor disponible.
Usando el valor de B obtenido, calcular el valor de la máxima presión admisible exterior de
trabajo, por medio de la siguiente ecuación:
𝑃𝑎 =
4𝐵
𝐷
3 ( 𝑜)
𝑡
Hay que recordar que estas fórmulas empíricas están adaptadas para trabajar con unidades
inglesas: L (in), A (in2), P (psi); por ellos, si queremos trabajar con unidades métricas debemos
determinar los factores de conversión cuidadosamente.
Si no hemos podido obtener el factor B dado que nuestro valor de A cae hacia la izquierda
de los valores graficados, calculamos la presión por medio de:
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
𝑃𝑎 =
2𝐴𝐸
𝐷
3 ( 𝑜)
𝑡
Donde:
•
E= Módulo de la elasticidad del material a la temperatura de diseño. El valor debe
ser obtenido de las tablas “TM” contenidas en la sub-parte 2 de la sección II, parte D
del código ASME.
Dada la complejidad para trabajar con estos gráficos de la sub-parte 3 de la sección II, parte
D del código ASME, los valores para obtener los factores A y B se encuentran tabulados a
continuación de los mencionados gráficos.
El siguiente paso será comparar el valor de Pa obtenido teniendo en cuenta que; si Pa > P el
espesor adoptado soporta la presión exterior. En caso contrario, debemos aumentar el
espesor y repetir el cálculo o colocar anillos rigidizadores.
Tuberías con ratios D/t ≤ 10
Siguiendo los pasos indicados anteriormente indicados para obtener el valor B, obtenemos
nuevamente este valor.
Para valores de D/t menores a 4, el factor A se calcula de la siguiente manera:
1,1
𝐴=
(
𝐷𝑜 2
)
𝑡
Para valores de A mayores a 0,10, usar este último valor.
Usando el valor de B obtenido, calcularemos el valor de Pa1 de acuerdo con la siguiente
expresión:
𝑃𝑎1 = [
2.167
− 0,0833] 𝐵
𝐷𝑜
𝑡
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Y ahora calcularemos el valor de Pa2 de acuerdo con lo siguiente:
𝑃𝑎2 = (
2𝑆
1
) [1 − ( )]
𝐷𝑜
𝐷𝑜
𝑡
𝑡
Donde S será el menor valor de:
•
2 x S de la tabla A1, B31.3
•
0,9 x Sf (fluencia) tabla Y1 ASME II, parte D.
Comparar el menor de los valores obtenidos (Pa1 o Pa2) con P. Si Pa > P, el espesor adoptado
soporta la presión exterior. En caso contrario, debemos aumentar el espesor y repetir el
cálculo o colocar anillos rigidizadores.
b) Cálculo de anillos de rigidización
En el caso que nuestra tubería no soporte las presiones exteriores a las que estamos
sometiendo al sistema, no siempre resultará viable ni económico aumentar el espesor hasta
cumplir con dicho requerimiento.
Lo que debemos hacer en estos casos es agregar anillos externos (práctica recomendada)
o internos (mucho más difícil y costoso de ejecutar) que contribuyan a mantener la
integridad estructural del sistema.
Lamentablemente, no existe una regla general que nos indique hasta qué punto aumentar
el espesor, ni tampoco cuál es el momento de agregar anillos.
Una buena aproximación sería: calcular el sistema por presión interior, seleccionar un
espesor comercial de acuerdo con los resultados obtenidos y a partir de allí colocar anillos
en caso de ser necesario.
Siendo P la presión exterior requerida, ya sea por condensación interior y vacío o por presión
exterior, los pasos a seguir para verificar los anillos son:
Asumiendo que la envolvente ha sido diseñada (por presión interior, por ejemplo),
seleccionamos el perfil a ser utilizado y obtenemos de tablas su área transversal As. Luego,
calculamos el factor B de acuerdo con lo siguiente:
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
𝐵=
3 𝑃𝐷𝑜
(
)
4 𝑡 + 𝐴𝑠
𝐿𝑠
Donde:
•
Ls= es la distancia entre líneas soporte. Líneas soporte pueden ser: anillos soporte,
cabezales –h/3-, bridas, unión cono-envolvente, etc.
Hay que recordar que estas fórmulas empíricas están adaptadas para trabajar con unidades
inglesas: L(in), A(in2), P(psi); por ellos, si queremos trabajar con unidades métricas debemos
determinar los factores de conversión cuidadosamente.
Con el valor de B obtenido, ingresar al gráfico “CS” que se corresponda con nuestro material
(esfuerzo de fluencia) en la sub-parte 3 de la sección II, parte D del código ASME;
interceptaremos la temperatura de diseño de nuestro sistema y obtener el valor del factor
A. Si distintos materiales han sido utilizados para la envolvente y los anillos, se deberá utilizar
el mayor valor de A obtenido para ambos materiales.
Si el valor del factor B cayese por debajo del rango indicado en el gráfico, el valor de A puede
ser calculado de acuerdo con:
𝐴=
2𝐵
𝑒
Donde:
•
E= Módulo de la elasticidad del material a la temperatura de diseño. El valor debe
ser obtenido de las tablas “TM” contenidas en la sub-parte 2 de la sección II, parte D
del código ASME.
Calcularemos el momento de inercia requerido de acuerdo a lo siguiente:
•
Is= Momento de Inercia requerido solamente del anillo de rigidización:
[𝐷𝑜2 𝐿𝑆 (𝑡 + (
𝐼𝑠 =
𝐴𝑆
) 𝐴)]
𝐿𝑆
14
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
•
I’s= Momento de Inercia requerido del conjunto anillo-envolvente
[𝐷𝑜2 𝐿𝑆 (𝑡 + (
𝐼′𝑠 =
𝐴𝑆
) 𝐴)]
𝐿𝑆
10,9
Ahora compararemos los momentos requeridos, con los disponibles. Dependiendo del nivel
de precisión que busquemos en nuestro cálculo, tendremos en cuenta sólo el anillo o el
conjunto anillo-envolvente.
Para considerar la parte que la envolvente contribuye al momento de inercia, calculamos la
longitud máxima en la que contribuye la envolvente como:
1,10√𝐷𝑜 𝑡𝑠
Luego, multiplicamos por el espesor ts para obtener el área. Por último, sumamos esta
contribución de la envolvente al área transversal de los anillos As.
Si el momento de inercia disponible en el conjunto I es mayor que Is ó I”s, entonces el diseño
es aceptable. Si, por el contrario, el momento de inercia disponible es menor que el
requerido, el diseñador deberá optar por un perfil de mayor momento de inercia y/o una
envolvente de mayor espesor.
Cálculo de acuerdo a ASME B31.3 “Process Piping”
El alcance del código ASME B31.3 recoge las tuberías y sistemas de las refinerías y plantas
petroquímicas, es de utilización para el diseño de todas las tuberías (independientemente
del fluido) dentro de las refinerías y las plantas químicas. Las refinerías pueden ser de:
petróleo, textiles, papel, semiconductores y todos los derivados de los anteriores.
De cualquier manera, como siempre sucede con las especificaciones, debemos verificar la
aplicabilidad de nuestro código en la sección de “Scope” en el código.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
1)
Cálculo por presión interior
¡Ojo! Las fórmulas aquí indicadas son aplicables cuando t ≤ D/6, el cual es el caso más
habitual.
De cualquier forma, para t ≥ D/6 o P / SE >0.385, los cálculos de presión para tuberías
metálicas rectas requieren consideraciones especiales tales como teoría de fallas, efecto de
fatiga y estrés térmico que deberán realizarse con software computacional específico.
El espesor requerido para secciones rectas de tuberías está dado por:
𝑡𝑚 = 𝑡 + 𝑐
Donde:
•
tm = Mínimo espesor requerido incluyendo: requerimientos mecánicos y corrosión
admisible.
•
t = Espesor para soportar los esfuerzos de presión interior.
•
c = Sumatoria de sobre-espesores: por roscas, tolerancias de fabricación y corrosión
admisible.
Si T es el espesor de la tubería comercial adoptada, entonces T debe ser mayor o igual que
tm. Para simplificar la compresión de ahora en adelante usaremos t en lugar de tm ya que es
la nomenclatura usada en los códigos.
De acuerdo con el código punto 304.1.2:
𝑡=
𝑃𝐷
2(𝑆𝐸𝑊 + 𝑃𝑦)
Donde:
•
t= espesor requerido por presión interior.
•
P = Presión de diseño interior
•
D= Diámetro exterior de la tubería.
•
S= Esfuerzo admisible del material de la tubería. Tabla A1 del código.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
•
E= Factor de Calidad de la junta longitudinal (para tubería sin costura es 1), tabla
302.3.4
•
W= A elevadas temperaturas y a largo plazo, los esfuerzos admisibles de las uniones
soldadas pueden ser menores que las del material base. Para estos casos aplicamos
lo siguiente:
- Para temperaturas hasta 510º C, el valor es 1.
- Para temperaturas de 815º C, el valor es 0,5; para valores intermedios se deberá interpolar
linealmente.
•
y= Coeficiente adimensional dependiente de la temperatura, para t < D/6 ver tabla
304.1.1; para el resto de casos:
Podemos escribir esta fórmula de otra forma para considerar el diámetro interior como:
𝑡=
𝑃(𝑑 + 2𝑐)
2[(𝑆𝐸𝑊 + 𝑃(1 − 𝑦)]
Donde:
•
d= Diámetro interior de la tubería.
•
c= suma de todas las tolerancias mecánicas más la erosión y corrosión
2) Cálculo por presión exterior
El código B31.3 indica que para tuberías sometidas a presión exterior se deberá aplicar lo
descrito en el código ASME SEC VIII, DIV.1, UG-28 a UG30. Por ello, se deberá seguir lo
indicado más arriba, para el caso de tuberías según B31.1.
Cálculo de acuerdo con ASME B31.4 “Pipeline transportation systems for liquid
hydrocarbons and other liquids”.
El alcance del código ASME B31.4 es el transporte de Hidrocarburos: Para el transporte de
hidrocarburos (no dentro de una refinería, esto es transporte aguas arriba –upstream), gas
de petróleo líquido, alcohol y dióxido de carbono líquido.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
1)
Cálculo por presión interior
El espesor requerido para secciones rectas de tuberías está dado por:
𝑡𝑛 = 𝑡 + 𝐴
Donde:
•
tn = Mínimo espesor requerido incluyendo: requerimientos mecánicos y corrosión
admisible.
•
t = Espesor para soportar los esfuerzos de presión interior.
•
A = Sumatoria de sobre-espesores: por roscas, tolerancias de fabricación y corrosión
admisible.
Si T es el espesor de la tubería comercial adoptada, entonces T debe ser mayor o igual
que tm. Para simplificar la compresión de ahora en adelante usaremos t en lugar de tm
ya que es la nomenclatura usada en los códigos.
De acuerdo con el código:
𝑡=
𝑃𝑖 𝐷
2𝑆
Donde:
•
Pi = Presión de diseño interior.
•
D= Diámetro exterior de la tubería.
•
S= Esfuerzo admisible del material de la tubería. Tabla 403.2.1-1 determinado por:
𝑆 = 𝐹𝑥𝐸𝑥𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑𝑆𝑡𝑟𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ(𝑝𝑠𝑖)
Siendo:
•
F= Factor de diseño basado en el espesor nominal de la tubería. El valor de este factor
no deberá ser mayor a 0.72.
•
E= Factor de Calidad de la junta longitudinal (para tubería sin costura es 1), tabla
403.2.1-1
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
•
YieldStrengh= Esfuerzo de fluencia; en el caso que nuestro material no se encuentre
listado en la tabla 403.2.1-1, debemos obtener el esfuerzo de fluencia del código
ASME, sección II, Parte D.
2) Cálculo por Presión Exterior.
En diferentes párrafos del código, se hace la siguiente referencia: “la tubería seleccionada
debe estar dimensionada para soportar todos los esfuerzos inducidos debidos a presión
exterior y prevenir el colapso de la tubería.”
Concretamente, el punto 402.4, indica que el esfuerzo circunferencial debido a presión
exterior se obtiene de la misma forma que para el caso de presión interior.
Ahora bien, no se indica ninguna medida preventiva en el caso de colapso de la tubería. Por
ello, si tenemos un requerimiento de presión exterior y no estamos seguros con los valores
obtenidos por medio del código B31.4, siempre podemos verificar con lo descrito en el ASME
VIII, div.1, parte UG-28.
Si necesitamos mayor precisión en nuestros cálculos, siempre podemos realizar
comprobaciones por métodos de elementos finitos.
Cálculo de acuerdo con ASME B31.8 “Gas Transmission & distribution Piping systems”
El alcance de la sección B31.8 es Transporte de gas: para todas las tuberías que transporten
gas fuera de refinerías aunque dentro de éste mismo código encontraremos referencias
offshore y onshore.
1)
Cálculo por presión interior
El punto 841.1 establece los requerimientos para el diseño de tuberías de gas sometidas a
presión interior. En este caso, la expresión de cálculo está dada en función de la presión
máxima de trabajo; si lo que buscamos es el espesor, debemos despejar el valor ¨t¨ de la
ecuación.
𝑃=
2𝑆𝑡
𝐹𝐸𝑇
𝐷
𝑡=
𝑃𝐷
2𝑆𝐹𝐸𝑇
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Donde:
•
P= Presión de diseño interior.
•
D= Diámetro exterior de la tubería.
•
S= Esfuerzo de fluencia del material de la tubería. Este valor puede obtenerse de la
tabla D-1, del apéndice D del código B31.8.
•
t= Espesor nominal de pared.
•
F= Es un factor de diseño que tiene en cuenta todas las tolerancias por
imperfecciones. Se obtiene de la tabla 841.114A ó 841.114B.
•
E= Factor de junta longitudinal; se obtiene de la tabla 841.115A.
•
T= Factor de disminución por temperatura. Se obtiene de la tabla 841.116A.
A modo de ejemplo: Para determinar el factor F, debemos conocer la clase de ubicación en
la que se encuentra nuestra instalación. En el párrafo 840.22 “Location classes for design
and construction 840.22”.
Tablas 841.114A/B Valores de F. Fuente: ASME B31.8
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
2) Cálculo por presión exterior.
Al igual que sucede para el caso anterior (B31.4), esta sección establece en diferentes
párrafos “la tubería seleccionada debe estar dimensionada para soportar todos los esfuerzos
inducidos debidos a presión exterior y prevenir el colapso de la tubería”, pero no indica un
método de cálculo definido.
Ahora bien, no se indica ninguna medida preventiva en el caso de colapso de la tubería. Por
ello, si tenemos un requerimiento de presión exterior y no estamos seguros de los valores
obtenidos a por medio del código B31.4, siempre podemos verificar con lo descrito en el
ASME VIII, div.1, parte UG-28.
Si necesitamos mayor precisión en nuestros cálculos, siempre podemos realizar
comprobaciones por métodos de elementos finitos.
Cálculo de derivaciones en tuberías
Para distintos servicios, y en determinadas ocasiones, no es posible utilizar accesorios
estándar. En estos casos, debemos calcular las aberturas practicadas en la tubería troncal.
Injerto en Y en tubería troncal. Fuente: Particulari.com
Veremos a continuación el método de comprobación para cada uno de los códigos de
aplicación, siendo la compensación de áreas el método usado para todos los casos.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Cálculo de derivaciones según ASME
Para el código B31.1 el cálculo de derivaciones se describe en el punto 104.3.1. El método que
se sigue es el de comparación de área sustraída y el área aportada.
Dimensiones de Branch Conection. Fuente: ASME B31.1
Siendo las ecuaciones necesarias para la resolución, las siguientes:
𝐴2 + 𝐴3 + 𝐴4 ≥ 𝐴1
𝐴1 = 𝑡ℎ 𝑑1 (2 − 𝑠𝑖𝑛𝛽 )
𝐴2 = (2𝑑2 − 𝑑1 )(𝑇ℎ − 𝑡ℎ − 𝑐 )
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
𝐴3 = 2𝐿4 (𝑇𝑏 − 𝑡𝑏 − 𝑐)/𝑠𝑖𝑛𝛽
Dada la complejidad y la cantidad de términos para definir, tenéis un anexo acompañando
a los archivos de este tema donde vemos en detalle el diseño de derivaciones.
Para el resto de las secciones B31.3, B31.4 y B31.8 el procedimiento es similar (por
comparación de áreas) y por tanto se puede considerar la misma metodología.
Cálculo del espesor de tubería según la normativa Europea/DIN/ISO.
Esta normativa apenas se utiliza salvo en algunos Proyectos europeos que exigen su uso.
No obstante, daremos un breve repaso por sus ecuaciones principales para que tengáis
constancia de ellas.
Según el apartado 6 de la UNE-EN 13480-3:
Para Do/Di ≤ 1,7:
𝑒=
(𝑝𝑐 𝐷𝑜 )
(2𝑓𝑧 + 𝑝𝑐 )
Sin conocer el espesor, el diámetro interior (Di) no es un valor conocido, así que se supondrá
Do/Di ≤ 1,7, ya que es lo más habitual, y se procederá a los cálculos siguientes con esta
suposición. Una vez se haya seleccionado la tubería normalizada correspondiente al espesor
mínimo calculado, se verificará esta comprobación con el Di de dicha tubería.
Para Do/Di> 1,7 (Algo bastante inusual) tenemos que:
𝑒=
𝐷𝑜
𝑓𝑧 − 𝑝𝑐
(1 − √
)
2
𝑓𝑧 + 𝑝𝑐
Donde:
•
Do, diámetro exterior [mm]. Se determina directamente a partir del diámetro
nominal (DN).
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
•
pc, presión de diseño a la que operará la tubería [N/mm2].
•
z, es el coeficiente de unión, se toma 1 si no hay soldadura. El valor de este coeficiente
de unión se extrae del apartado 4.5 de la norma UNE-EN 13480-3, que se reproduce
a continuación:
Valores coeficiente de unión z. Fuente: UNE-EN 13480-3
•
f, es la tensión de diseño. Calculado según la norma UNE-EN 13480-3 (apartado 5)
mediante la siguiente fórmula:
𝑅𝑒𝐻𝑡 𝑅𝑃0,2𝑡 𝑅𝑚
]
𝑓 = min [
𝑜
;
1,5
1,5 2,4
Los valores ReHt(Límite elástico), Rp0,2t(Límite de fluencia)y Rm(Resistencia a la tracción) son
propios del material. En la siguiente tabla se pueden leer los valores Rp0,2t y Rm para distintos
materiales. Para la selección del material (apartado2.2) se debe tener en cuenta la
temperatura máxima que soporta.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Valores de E y Rm según materiales. Fuente: UNE-EN 13480-3
Como ejercicios finales, tenéis unas tablas de Excel par dimensionamiento de tuberías
según las diferentes normativas, donde podéis introducir diferentes valores y observar
cómo se cumplen las conclusiones extraídas hasta este punto.
Tuberías enterradas
En cualquier Planta de proceso es muy frecuente encontrarnos tuberías enterradas.
Aunque evidentemente las tuberías están sometidas a una carga “exterior” por la “columna”
de terreno sobre ellos, no se consideran sometidos a presión exterior.
Primero que nada, debemos tener en cuenta que el tema de tuberías enterradas es lo
suficientemente específico y extenso como para dedicar un curso de especialización
enteramente. Además, está contemplado en herramientas como Autopipe para que su
cálculo sea sencillo y fácilmente parametrizable. A continuación, describiremos los
conceptos fundamentales para comprender las variables principales que intervienen en el
diseño.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Terreno
La importancia que tiene el tipo de terreno para el desempeño de una tubería enterrada ha
sido plasmada en una multitud de publicaciones por diversos especialistas en la materia.
La capa superficial que se genera alrededor de la tubería, que es la que soporta la “columna”
de terreno sobre la tubería es la contribución más importante del terreno.
Es fundamental conocer la rigidez del terreno alrededor de la tubería y la rigidez del
sistema. El ratio de rigidez entre estos dos elementos es el que gobernará el cálculo en casi
la totalidad de los diseños. Para ello, será de gran utilidad solicitar el estudio geotécnico al
departamento (o empresa externa) encargado de su realización.
Lógicamente, existen distintas configuraciones para sistemas de tuberías enterradas; a
continuación, se muestran algunas de ellas.
Diferentes clases de terreno. Fuente: precastdrainage.co.uk
Para determinar las propiedades del terreno, debemos consultar la clasificación dada en la
especificación ASTM D2487.
La carga producida por el terreno es igual al peso específico del terreno por la profundidad
a la que se instalará la tubería.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online
Diseño
Cuando diseñamos una instalación enterrada, debemos considerar la posibilidad de que
distintos productos se transporten por un mismo sistema de tuberías. En este tipo de línea,
es fundamental analizar el comportamiento del sistema con cada producto a ser
transportado, ya que podría ocurrir que las dilataciones fueran distintas.
Es habitual estimar el coste inicial de los materiales y la instalación, pero dependiendo del
tipo de terreno, podría requerirse una compactación del terreno distinta a la disponible en
el emplazamiento, requiriendo una erogación adicional que debe ser considerada.
Resulta evidente visualizar que una tubería sometida a una carga vertical tenderá a
deformarse tal como se muestra en la figura.
Siempre debéis tener claro que la mejor configuración para un sistema de tuberías
enterradas es la que altera la configuración natural del terreno lo menos posible.
Lo ideal, sería realizar una perforación del diámetro de la tubería a la profundidad deseada
y “enhebrar” la tubería. Obviamente, dado que lo anterior no es posible (Es sólo posible para
tramos rectos) nos encontramos con problemas de diseño más o menos complejos.
Otro factor que interviene en la resistencia del sistema es el ancho de la zanja en la que se
instala la tubería y la fricción que las paredes le transfieren a la misma. Mientras más
“ajustado” se diseñe el alojamiento de la tubería, menos carga deberá soportar la tubería.
www.formacion-industrial.com
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento o cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización por escrito de Formación Industrial Online