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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
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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
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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
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Reemplazo de Área
Área de Presión
Concentración de Tensiones
ASME División 1
ASME División 2
PD 5500 EN 13445
Estos detalles se repiten más tarde en la presentación.
Reemplazo de área UG-37
Área de Presión Apéndice 1-10
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Método de Reemplazo Área
En primer lugar, se revisará el método de Reemplazo de Área
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Aquí está una boquila en una coraza:
Pincipio Básico: Área Removida= Área a Poner de Nuevo
Exceso de Espesor de la
Coraza
También hay exceso de espesor de la boquilla disponible
Espesor Calculado
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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
Tensión Promedio S
Aumento de Tensión Sa
Sa/S se conoce como el factor de concentración de tensiones scf
Pero, ¿cuál es el factor de concentración?
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Método de Concentración de
Tensiones
El scf se define por medio de la Ecuación de Inglis
Mitad de Longitud de Abertura a
Para un círculo: a = r por lo que scf = 3
El método de concentración de tensiones sólo es utilizado por el PD 5500
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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:
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
Calcular el espesor requerido de la boquilla para presión trn
Refuerzo de boquillas de acuerdo con ASME VIII, División 1:
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Detalles de Reemplazo de Área
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t
t is the actual plate thickness
tr
tr es el espesor calculado (requerido) de la coraza
Instalación de Boquila. Ésta es el área a reforzar A
A
El espesor adicional de la coraza está disponible como refuerzo A1
A1 A1
Calcular el espesor requerido de la boquilla para presión trn
trn
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Detalles de Reemplazo de Área
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t
t is the actual plate thickness
tr A
A1 A1
Calcular el espesor requerido de la boquilla para presión trn
trn
Calcular el área disponible de la boquilla A2
A2 A2
Calcular el área de la boquilla en el interior A3
A3 A3
Y si hay una almohadilla de refuerzo A5
A5 A5
Finalmente, las soldaduras también pueden incluirse A4
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Detalles de Reemplazo de Área
Todo el refuerzo debe estar dentro de un área específica
Ese es el principio del Reemplazo de Área
Finalmente, las soldaduras también pueden incluirse A4
Éste es el sencillo requisito para el reemplazo de área:
ttr A
A1 A1
A2 A2
A3 A3
A5 A5
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Detalles de Reemplazo de Área
Todo el refuerzo debe estar dentro de un área específica
Ese es el principio del Reemplazo de Área
Finalmente, las soldaduras también se pueden incluir A4
Éste es el sencillo requisito para el reemplazo de área:
A1 + A2 + A3 + A4 + A5 > A
Ésta es la ilustración del principio de ASME VIII, División 1
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Figura UG-37
Detalles de Reemplazo de Área
Ésta es la ilustración del principio de ASME VIII, División 1
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Método de Área de Presión
Considere una boquilla instalada en un cilindro
dtn
R
t
Ésta es el área sobre la que actúa la presión Ap
Lr
Lh
Ésta es el área del metal resistiendo la presión As
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Método de Área de Presión
LR es en realidad la longitud de decaimiento de la tensión como se muestra aquí
dtn
R
t
Lr
Lh
Longitud de Decaimiento
La presión intenta dividir la coraza, pero el metal la mantiene unida
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Método de Área de Presión
LR es en realidad la longitud de decaimiento de la tensión como se muestra aquí
dtn
R
t
Lr
Lh
La presión intenta dividir la coraza, pero el metal la mantiene unida
Éste es el principio básico del Método de Área de Presión
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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
Área sobre la que el metal
resiste
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Método de Concentración de
Tesiones
El scf es un poco más complicado de lo que se mostró previamente
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
Hay un número de partes a la boquilla
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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
Esquina Interior
Esquina Exterior
División 2 llama al scf ‘Índice de Presión’ Cada tensión tiene su propio scf
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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’El mayor scf
Eso es muy cercano al 3 obtenido de la Ecuación de Inglis
Sólo el código inglés PD 5500 utiliza el método scf
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Método de Concentración de
Tesiones
Sólo el código inglés PD 5500 utiliza el método scf
Se utiliza un método gráfico para determinar el scf
Estos números representan, básicamente, los valores scf
Veamos a detalle el método que utiliza el código PD 5500
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D
ers
Método de Concentración de
Tesiones
Veamos a detalle el método que utiliza el código PD 5500
En primer lugar se calcula un valor llamado ρd
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
Primero localizamos la curva cuyo valor es ρ
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Método de Concentración de
Tesiones
Primero localizamos la curva cuyo valor es ρ
Después se busca el valor de Cers/eps
Después se busca en la parte inferior de la gráfica la razón erb/ers
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Este cálculo simple: erb = ers x (erb/ers)
Método de Concentración de
Tesiones
Después se busca en la parte inferior de la gráfica la razón erb/ers
A partir de esa relación encontramos el espesor requerido de la boquilla
Las computadoras no pueden trabajar con gráficos, necesitan datos numéricos
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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 una boquilla rectangular en un cilindro
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
Considere el siguiente ejemplo:
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Boquillas con Formas Especiales
Considere el siguiente ejemplo:
Hay fuerzas tangenciales de las tensiones de deformación de la presión que empujan a los lados de boquillas como esta
La abertura como consecuencia se distorsiona
Las fuerzas son fáciles de calcular
Hay una carga uniformemente distribuida (udl) que actúa sobre la abertura
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Boquillas con Formas Especiales
Considere el siguiente ejemplo:
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
Aquí hay una placa colocada en el lado de la boquilla
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Boquillas con Formas Especiales
Aquí hay una placa colocada en el lado de la boquilla
X
X
La placa debe tener un suficientes módulos de sección para soportar la udl
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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
Fuerza Radial P
Fuerza Radial P
VL
Fuerza Circunferencial VC
VC
MC
P
Momento Circunferencial MC
Momento Longitudinal ML
ML
Momento de Torsión MT
MT
AU
DU
BU
CUAL BLCLDL
Miremos más de cerca el orificio
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Método WRC 107
Fuerza Radial P
Fuerza Longitudinal VL
Fuerza Circunferencial VC
Momento Circunferencial MC
Momento Longitudinal ML
Momento de Torsión MT
AU
DU
BU
CUAL BLCLDL
Miremos más de cerca el orificio
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
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Método WRC 107
A continuación el ejemplo de un cálculo final de PV Elite
Pm es la Tensión General Primaria de Membrana
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
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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
Fuerza Radial
Momento de Flexión
Aquí hay un ejemplo de cálculo típico de PV Elite
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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
Resumen de la Presentación
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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 Área de Presión Concentración de Tensiones
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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
Existen problemas especiales asociados con grandes boquillas en cilindros
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Resumen de la Presentación
Existen problemas especiales asociados con boquilas rectangulares en cilindros
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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
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