CAPITULO SEIS

Juntas bridadas.

Las bridas se usan para reunir secciones de longitudes de tuberías, y para conectar tubería a equipos. Los dos principales tipos de bridas son de cara plana o cara realzada. En el análisis de esfuerzo de tubería, la capacidad de una brida para conducir momento externo es de una importancia conocida. El diseño real de una junta bridada puede ser obtenido de otras fuentes ( referencias 1 y 2 ).Los efectos de la precarga del tornillo, presión, temperatura, y momentos externos se discuten a continuación.

Precarga del tornillo: El apriete inicial del tornillo es una operación de pre-esfuerzo; la cantidad de esfuerzo desarrollado del tornillo debiera ser suficiente para soportar contra toda condición esa tendencia a producir fugas en la junta, y al mismo tiempo no ser tan excesiva que la deformación del tornillo o bridas puedan producir relajación que pueda también resultar en fugas; por eso, para que la junta sea hermética bajo presión hidrostática ( una y media veces la presión de diseño ), puede ser permisible un esfuerzo inicial en tornillos mas alto que los esfuerzos de diseño.

Presión interna: Cuando se aplica presión interna, cedencia adicional del tornillo puede causar fugas, si el margen entre el esfuerzo inicial del tornillo y el esfuerzo de cedencia es menor.

Presión externa: La fuerza combinada del momento de flexión externó y la carga del tornillo, pueden plásticamente deformar ciertos empaques lo que resulta en perdida de la presión del empaque cuando la conexión es despresurizada.

Temperatura: El incremento en la temperatura reduce la presión a la cual la brida puede estar sujeta. En temperaturas elevadas, los valores de esfuerzo de diseño están gobernados por una tasa de deslizamiento. Si el coeficiente de expansión térmica es diferente (diferente material) para la brida y el tornillo, la fuga puede ocurrir debido al incremento en la carga del tornillo; entonces el reapriete del tornillo puede ser necesario, pero no debe ser olvidado que los efectos de reaprietes repetidos puede ser acumulativo y puede deformar el empaque y causar fugas.

6.1 Nomenclatura

Sy Esfuerzo de cedencia del material de la brida, psiC Diámetro del circulo de tornillos de la brida, pulg.Ab Área total de sección transversal del área de tornillos en la raíz de la rosca, pulg2

Do Diámetro exterior de la cara realzada de la bridaPR Presión concurrente con el momento flexor bajo la carga dinámicaG Diámetro de localización de la reacción de carga del empaque, pulg ( puede ser aproximado al diámetro interior de la cara realzada de la brida ).Sa Esfuerzo permisible del tornillo, psi.

Unidades: Momentos pies-lbEsfuerzos psi

OBE Terremoto base operanteSSE terremoto paralizante de seguridadSAM Movimiento de anclaje sísmicoLas condiciones de falla están asociadas con el SSE ó ruptura de tubería; es un evento extremadamente poco probable.

LOCA( Loss of coolant accident ) El accidente de perdida de refrigerante, el resultado sería una apertura inadvertida de la válvula de alivio o seguridad presurizada, a causa de la perdida de

refrigerante superando la capacidad del sistema de recuperación de refrigerante del reactor.

6.2 Momentos externos

El efecto de los momentos externos será discutido en detalle. Los momentos permisibles pueden ser calculados, por los tres métodos resaltados por el código ASME sección III, Componentes de plantas nucleares de potencia NC - 3658.

Método 1: Este se refiere a al ANSI B16.5 para juntas bridadas con tornillos de alto esfuerzo ( el material del tornillo con esfuerzos

permisibles a 100°F no menores que 20 000 psi.(a) Para niveles de servicio A y B bajo cargas estáticas dado por

la ecuación 6.1(b) Para niveles de servicio A y B bajo cargas estáticas y

dinámicas dadas por la ecuación 6.2(c) Para niveles de servicio C y D bajo cargas estáticas y

dinámicas dadas por la ecuación 6.3

Método 2: Este método atañe a juntas bridadas estándar a rangos de presión modernos, y temperaturas de estándares ANSI B16.5, MSS SP - 44, API 605 ( presiones menores que 100 psi y temperaturas menores que 200°F )

Método 3: Este es el método de presión equivalente.

Los límites de servicio de los niveles A y B deben ser satisfechos para todas las cargas identificadas en la especificación de diseño en el desempeño de su función de servicio especificada. El componente o soporte debe resistir estas cargas sin daño que requiera reparación.Los limites de servicio de los niveles C y D permiten grandes deformaciones en áreas de discontinuidad estructural; la ocurrencia de este tipo de suceso, ocasionaría la necesidad de remoción del componente del servicio, para inspección o reparación del daño al componente o soporte.

6.3 Comparación de momentos permisibles y reales

Método 1: ( Opción de atornillado de alto esfuerzo ) los limites de diseño y limites de niveles de servicio A y B son:

M estatico permisible= 3 125 ( S y36000 )C Ab( 112 ) (6.1)

donde S y

36000 no debiera ser mayor que la unidad.

M dinamico permisible( para niveles A o B )= 6 250 ( S y36000 )C Ab( 112 )

(6.2)

Como se puede ver, los resultados de la ecuación 6.2 serán el doble que los de la ecuación 6.1

Los limites de diseño y limites de niveles de servicio C y D ( fallas ) son:

M dinamico permisible( para niveles C o D )= [11 250 Ab−π16

(D o2PR)¿ C

12 ( S y36000 ) (6.2)

Método 2: ( Para bridas a presiones y temperaturas moderadas )

M estatico permi sible= AbC ( Sa4 ) 112 (6.4)

M dinamico permisible= AbC ( Sa2 ) 112 (6.5)

Método 3: ( Método de presión equivalente )

Peq= 16 (12 )MπG3

(6.6)

Donde M es el momento mas grande ( real ) calculado de las bridas bajo este método de las ecuaciones 6.7 , 6.8 , y 6.9.Peqmas la presión de diseño debiera ser menor que la presión estimada en 6.6.b

Momentos reales

M ( normal ) =M realestatico= el mas alto de los dos momentos flexores el torsional o el resultante para la gravedad mas la carga térmica normal, el movimiento de anclaje sostenido mas la fuerza de desplazamiento de la válvula de alivio y otras cargas sostenidas mecánicas. (6.7)

M ( realzado )=M realdinamico= el mas alto de los dos momentos flexores el torsional o el resultante mas el realce térmico, mas OBE, mas SAM mas LOCA. (6.8)

M ( de falla )= M realdinamico (defalla) = el mas alto de los dos momentos flexores el torsional o el resultante mas el realce térmico, mas SSE, mas SAM, mas LOCA (6.9)

M = El mayor de los tres momentos reales de arriba (6.10)Este momento será usado para obtener la presión equivalente.

Como puede ser esperado, para la aprobación del uso de la brida en ciertas locaciones, los momentos flexores reales o calculados deben ser mas bajos que los momentos permisibles. La tabla 6.1 da los números de ecuación para los momentos reales y los permisibles para su comparación.

Tabla 6.1 Comparación de momentos reales contra permisibles

Reales PermisiblesM ( normal ) ( ecuación 6.7 ) M estatico permisible ( ecuación

6.1 )M ( realzado ) ( ecuación 6.8 ) M dinamico permisible ( ecuación

6.2 )M ( de falla ) ( ecuación 6.9 ) M dinamico permisible(defalla) ( ecuación 6.3 )M ( normal ) ( ecuación 6.7 ) M estatico permisible ( ecuación

6.4 )M ( realzado ) ( ecuación 6.8 ) M dinamico permisible ( ecuación

6.5 )M ( de falla ) ( ecuación 6.9 ) M dinamico permisible ( ecuación

6.6 )Peq+ presión de diseño ( ecuación 6.6 a )

Presión esperada

Empaques: La sección NC - 3647.5 permite solo empaques metálicos o de asbesto, si la presión de servicio normal excede 720 psi ó la temperatura excede 750°F. Sin embargo, Los empaques de hojas de asbesto comprimido confinado no están limitados tal y como para presión suministrada, sino el material del empaque es apropiado para la temperatura

Problema ejemploCalcular los momentos real y permisible y revisar , si la brida dada esta calificada de acuerdo al ASME Sección III, NC - 3658 (verano 1979)

Diámetro tubo = 30”ØEl diámetro exterior de la cara realzada de la brida =

33.75 pulgNumero de tornillos = 28Área total de tornillos = 28 ( 0.8898 ) = 24.94 pulg2

Diámetro del circulo de tornillos C = 36 pulg

El material de la brida es acero al carbón SA 105El material del tornillo es SA 193 grado B7Esfuerzo permisible del tornillo = 25 000 psiEsfuerzo de cedencia del material de la brida Sy = 32 800 psiRango de presión = 150 psiTemperatura de diseño = 200°FPresión de diseño = 175 psi

Los momentos reales ( lb - pie )del análisis de tubería están dados en la tabla 6.2

El mas altos de los momentos torsional ó flexor resultante esta tabulado en la tabla 6.2 . Las ecuaciones 6.7, 6.8, y 6.9 se usan para calcular el momento rea para condiciones normal, realzada y de falla.

Tabla 6.2 Momentos reales del análisis de tubería ( pie - libra )

Carga M r BM 1 BM 2 M a=√(BM 1)2+(BM 2)

2 El mas alto deM r+M a

Peso muerto

1 084 1 939 11 520 11 682 11 682

Térmico 1 901 6 350 2 825 6 950 6 950OBE 8 518 7 979 9 817 12 650 12 650OBE SAM 0 0 0 0 0SSE 18 354 16 638 10 448 19 646 19 646SSE SAM 0 0 0 0 0LOCA 0 0 0 0 0

M ( normal ) =M realestatico= 11 682 + 6 950 = 18 632 pie - lb ( de la ecuación 6.7 )M ( realzado )=M realdinamico= 11 682 + 6 950 + 12 650 = 31 282 pie - lb ( de la ecuación 6.8 )M ( de falla )= M realdinamico (defalla) = 11 682 + 6 950 + 19 646 = 38 278 pie - lb ( de la ecuación 6.9 )

Momentos permisibles

El material de tornillos es SA 193 grado B7 de aleación de acero con esfuerzo permisible de 25 000 psi.El método 1, conocido como la opción de alto esfuerzo, se usa a causa de que el esfuerzo permisible del tornillo es mayor que 20 000 psi a 100°F. En este caso se usan las ecuaciones 6.1, 6.2 y 6.3 para calcular los momentos permisibles

M estatico permisible= 3 125( 3280036000 )( 3612 )( 24.92 ) = 212 858 pies - libra

(6.1) M dinamico permisible=2 ( 212 858 ) 425 716 pies - libra

(6.2)

M dinamico permisible(de falla)=[ (11250 ) (24.92 )− π16

(33.75 )2(175)] ( 3612 ) 32.836 =

= 659 310 pie-libra(6.3)

La tabla 6.3 nos da la comparación de momentos para el ejemplo problema.

Tabla 6.3 Comparación de momentos ( pie - libra )Condición Momento real Permisible Momento

Normal 18 632 212 858 OKRealzado 31 282 425 716 OKDe falla 38 278 659 310 OK

El efecto del material de la brida, rango de la brida, y diámetro de brida, sobre el momento permisible se muestra en la tabla 6.4 . La presión interna de la brida es 175 psi. Como era esperado los momentos permisibles son mas altos para bridas mas grandes y mas altos rangos. Los momentos permisibles para bridas de acero al carbón son mas altos que para bridas de acero inoxidable, a causa de que los esfuerzos de cedencia (usados en la opción de atornillado de alto esfuerzo) para acero al carbón son mas altos; el esfuerzo de cedencia para acero al carbón es de 32 800 psi comparado con 21 300 para acero inoxidable ambos a 200°F.

La temperatura usada es 200° F y la presión es 175 psi.

Tabla 6.4 Momentos permisibles de bridas ( pie - libra ) Usando el método 1.

Referencias1. Código ASME Sec III, Div 1.”Nuclear Power Plant Components” Article XI - 3 0002. Código ASME Sec III, Div 1. “Design of Flanged Joints “ Appendix II.3. Código ASME Sec III, Div 1.”Nuclear Power Plant Components” subsection NC3658 (summer 1979)4. “Flange Qualification Programs” Tennessee Valley Authority.5. ANSI B16.5 “Steel Pipe Flanges and Flanged Fittings” (1977)6. API 605 Reaffirmed in 1973, “ Large Diameter Carbon Steel Flanges”