Creación de geometrías y mallado para desalineamientos

Una introducción al uso del elemento finito

Concepto basicoLos desalineamientos se presentan por defectos de fabricación o el incorrecto soldado entre los elementos de una línea de transporte.El propósito de analizar estos defectos es determinar si debido a los mismos la línea de transporte se encuentra en un riesgo estructural, y determinar si es necesaria una reparación.

Información necesaria para iniciarPara realizar el análisis del desalineamiento es necesario conocer la disposición y propiedades de los elementos y las condiciones a las que operan. En este caso analizaremos el desalineamiento de los carretes 112 y 113 para ejemplificar el desarrollo.

Información necesaria para iniciarAhora procederemos a analizar las condiciones de operación en base al siguiente documento.

Sentido del flujo

Diámetro nominal

Presión de operación

Esquema de la instalaciónEn base a la información anterior sabemos que el flujo proviene de la descara del equipo TDA-2 por lo que se propaga de la siguiente manera y se considera que la sección que se estudiara será a partir de la mocheta que soporta al carrete 112 hasta el final del 113.

Mocheta

Por tanto podemos determinar que el carrete aguas arriba es el 112 y la longitud que se considerará es de 34 pulgadas como se especifica en el esquema, mientras que el carrete 113 se encuentra agua abajo y su longitud es de 230 cm como se especifica en la tabla de datos.

El horario técnicoEl horario técnico es un esquema a través del cual se representan las condiciones en las cuales se encuentran los elementos del desalineamiento, se ubica en la unión entre los mismos y se orienta en sentido del flujo, considerando la regla de la mano derecha. En la figura se muestra una proyección del desalineamiento entre los elementos 112 y 113.

FLUJO

12:00

3:00

6:00

9:00

1:00

2:00

4:00

5:007:00

8:00

10:00

11:00

Ubicación Proyección

Información del horario técnicoPara iniciar con el análisis es necesario contar con el reporte del desalineamiento (proporcionado por el equipo de medición) para crearlo en SolidWorks.

Creación del horario técnicoPara iniciar con la creación de la geometría se debe de crear una nueva pieza y crear un nuevo croquis en la vista izquierda, posteriormente se creara el horario técnico creando 6 líneas para construcción de longitud infinita con un ángulo de 30° entre ellas. A partir de este punto se recomienda ampliamente guardar el documento de manera continua para no perder el trabajo en caso de la falla del programa.

Creación del solido externo aguas arribaPosteriormente se debe de crear el solido externo trabajando en el mismo plano (vista izquierda) el cual será un cilindro con el diámetro nominal de la tubería y una profundidad de 34 pulgadas en sentido posterior al plano izquierdo.

Creación del solido interno aguas arriba (1)A continuación se debe de crear el solido interno trabajando en el mismo plano (vista izquierda). Debido a que es una figura irregular esta será creada mediante puntos que se unirán mediante la herramienta SPLine y se especificaran su distancias mediante acotaciones.

H. Tec. D. N. E. Aguas Arriba Radio

12:00 12 0.692 11.308

1:00 12 0.682 11.318

2:00 12 0.698 11.302

3:00 12 0.687 11.313

4:00 12 0.694 11.306

5:00 12 0.687 11.313

6:00 12 0.667 11.333

7:00 12 0.612 11.388

8:00 12 0.659 11.341

9:00 12 0.684 11.316

10:00 12 0.695 11.305

11:00 12 0.699 11.301

Promedio 11.32033333

Creación del solido interno aguas arriba (2)Posteriormente se debe de salir del croquis y se debe de crear un croquis en 3D como se muestra en la imagen, con una línea de construcción saliente del centro que se extienda en la misma dirección y sentido que el solido anteriormente creado. En el extremo se creara una línea en un plano paralelo al del horario técnico con una altura equivalente al promedio de los radios de los puntos anteriormente creados y se creara un circulo como se muestra en la imagen y finalmente se creara una línea que una ambas circunferencias por su parte superior (12:00 hrs en horario técnico).

Creación del solido interno aguas arriba (3)Para finalizar la creación del solido interno se procede a salir del croquis creado y se selecciona la operación de Recubrir seleccionando ambas circunferencias en la parte de perfiles y como curva guía la línea creada que une ambas circunferencias.

Creación del primer carreteUna vez que se han creado ambos sólidos, deben de seleccionarse desde el árbol de operaciones y seleccionar las opción de combinar, posteriormente se seleccionará la opción de eliminar en el menú emergente y se seleccionarán ambos sólidos como se muestra.

Primer carrete creadoEste es el resultado de substraer el solido interno al externo, al igual que con los croquis y sólidos anteriormente creados procederemos a ocultarlo para continuar con el desarrollo del desalineamiento.

Creación del solido externo aguas abajo (1)Al igual que el solido aguas arriba este presenta una forma irregular la cual debe ser creada en un croquis mediante puntos en cada horario técnico, acotando su distancia al centro y uniéndolos con la herramienta SPLine.

H. Tec. D. N. Profundida de desalineamiento Radio

12:00 12 0.016 12.016

01:00 12 -0.062 11.938

02:00 12 -0.062 11.938

03:00 12 -0.124 11.876

04:00 12 -0.031 11.969

05:00 12 -0.031 11.969

06:00 12 0.155 12.155

07:00 12 0.31 12.31

08:00 12 -0.093 11.907

09:00 12 0.016 12.016

10:00 12 0.046 12.046

11:00 12 0.016 12.016

Promedio 12.013

Creación del solido externo aguas abajo (2)A continuación se procede a crear un croquis en 3D al igual que como se hizo con el solido interno aguas arriba pero en dirección opuesta y con una longitud de 230 cm. También se creara una línea con el promedio de los radios y una circunferencia que será unida a la primera creada por una línea.

Creación del solido externo aguas abajo (3)Finalmente se utilizará la operación de recubrir para crear el solido externo aguas abajo. Se utilizaran las circunferencias creadas como los perfiles y la línea que las une como curva de guía.

Creación del solido interno aguas abajo (1)El ultimo solido que se creará es el solido interno aguas abajo que se obtiene restando el espesor a los radios anteriormente creados, y se repite el procedimiento anteriormente mostrado, creando un croquis en 3D con una línea de 230 cm y una circunferencia con un radio equivalente al promedio de los radios anteriormente calculados.

H. Tec. D. N. Profundida de desalineamiento

Radio solido externo

Espesor aguas abajo

Radio solido interno

12:00 12 0.016 12.016 0.705 11.31101:00 12 -0.062 11.938 0.707 11.23102:00 12 -0.062 11.938 0.708 11.2303:00 12 -0.124 11.876 0.698 11.17804:00 12 -0.031 11.969 0.676 11.29305:00 12 -0.031 11.969 0.664 11.30506:00 12 0.155 12.155 0.59 11.56507:00 12 0.31 12.31 0.619 11.69108:00 12 -0.093 11.907 0.676 11.23109:00 12 0.016 12.016 0.69 11.32610:00 12 0.046 12.046 0.702 11.34411:00 12 0.016 12.016 0.701 11.315

Promedio 11.335

Creación del solido interno aguas abajo (2)Una vez creados ambos croquis se procede a recubrir las superficies utilizando la línea que une las circunferencias como curva guía.

Creación del carrete aguas abajoAhora que se tienen ambos sólidos se procede a crear el carrete utilizando la operación de combinar y la opción de eliminar como se realizó anteriormente.

Finalización de la geometríaFinalmente se procede a unir ambos carretes creados seleccionando ambos sólidos y uniéndolos para crear uno solo.

Inicio de la simulación (1)Ahora que se cuenta con la geometría que se va a analizar se procederá a realizar la simulación, para ello es necesario tener activado el complemento de simulación como se muestra.

Inicio de la simulación (2)Para proseguir se creará un nuevo estudio de simulación donde se seleccionará la opción de estudio estático.

Edición del materialEl primer paso del estudio es editar el material con el cual se trabajará. Comúnmente la aleación con la que se trabaja es acero ASTM-X52 pero al no existir en la librería se utilizará acero estructural DIN 1.0038.

Edición de las sujecionesEl segundo paso será editar las sujeciones del material, para lo cual se seleccionara la opción de geometría fija y se seleccionaran las caras de los extremos de los carretes. Después de aceptar se selecciona ocultar todo para que las flechas mostradas no consuman recursos innecesariamente.

Edición de las fuerzas externas (1)El tercer paso será añadir a la simulación las fuerzas de presión que operan sobre el interior de los elementos, para ello se recomienda realizar una vista de sección a ambos lados de la unión para comenzar la selección de las superficies. Posteriormente se agregan las cargas externas y se selecciona presión.

Edición de las fuerzas externas (2)A continuación se deberá de editar la presión que actúa sobre las paredes de los elementos y se seleccionarán las superficies empezando por las resultantes del desalineamiento dentro de los carretes, como se muestra a la izquierda. Posteriormente se seleccionarán las caras internas de los carretes y se retirará la vista de sección transversal y al igual que con las sujeciones se deberán de ocultar las líneas generadas.

Introducción al mallado

El ultimo paso de la simulación es el mallado, esté puede llegar a ser la parte mas compleja de todas debido a que su creación no tiene un criterio especifico sino que este depende del tipo de desalineamiento y su geometría así como de la experiencia de quien lo desarrolle. Por ello mismo a continuación se presenta una de las opciones mas sencillas para desarrollar este procedimiento esperando que con la práctica se perfeccione esta técnica.

Control de mallaPrimero habrá que aplicarse un control de malla que permita que la zona mas critica (la unión de los carretes) tenga una malla más densa, posteriormente desde una vista lateral a los elementos se seleccionaran las aristas de los mismos y se asignará un tamaño de elementos de 0.2 pulgadas y un Ratio de 3.1 como se muestra.

Creación de mallaPosteriormente se creara la malla, esta puede ser estándar o basada en curvatura, la malla estándar sigue un patrón que se repite continuamente mientras que la malla basada en curvatura va adoptando la forma que considera mejor el programa para analizar los elementos mallados.

Resultado de la malla estándarEn estas imágenes podemos observar los resultados de la malla estándar la cual sigue un patrón continuo y se hace mas densa en la parte de la unión entre los carretes, como se muestra en la imagen de la izquierda.

Resultado de la simulaciónUna vez se ha determinado la malla adecuada al tipo de desalineamiento con el que se trabaja se procede a ejecutar la simulación, la cual arrojara el siguiente resultado.

Presentación de los resultados (1)El primer paso es seleccionar editar definición en la opción de tensiones de los resultados. La primera opción que se editara serán las unidades de la tensión de Von Mises que se cambiará a PSI’s y la forma deformada se mostrara en su escala real como se muestra a continuación.

Presentación de los resultados (2)Posteriormente se seleccionarán las opciones de grafico en el mismo menú, donde se desmarcará la opción de mostrar detalles de trazado y se seleccionara la opción de mostrar una anotación máxima.

Presentación de los resultados (3)Una vez se ha determinado que el análisis generado muestra los valores de una magnitud y con un comportamiento coherente, se procede a realiza el reporte de los máximos esfuerzos. Por ejemplo para el caso desarrollado se determinó que el máximo esfuerzo se encuentra sobre la pared del carrete aguas abajo cerca de las 7:00 hrs en el horario técnico. Las área rojas muestran las zonas de flexión y las azules de compresión.

ConclusionesMediante el ejemplo anterior se determinan los conceptos más básicos sobre el desarrollo del análisis de elemento finito, sin embargo este aumenta su dificultad con la complejidad de las geometría que los elementos presenten. Otro aspecto a tomar en cuenta es la distribución del mallado del cual se obtendrán diferentes valores bajo diferentes mallas (como se muestra en las imágenes del reporte oficial abajo), por lo que hace falta desarrollar una mayor experiencia en este sentido.