Estudios de flexibilidad Cargas ocasionales
En el análisis de tensiones de un sistema de tuberías sometido a unas condiciones de presión/temperatura, tienen la consideración de cargas ocasionales, aquellas originadas por la acción del viento o sismo y cualquier otra carga que con carácter no permanente pueda actuar sobre dicho sistema. Tal es el caso de las cargas originadas por la acción del disparo de válvulas de seguridad.
Dicho análisis no requiere la consideración de simultaneidad de las acciones originadas por viento y sismo, sino solamente aquella, de entre ambas, que origine el estado tensional más desfavorable.
Las tensiones longitudinales producidas por cargas ocasionales, no tienen un límite de comparación independiente, sino que sumadas a las tensiones longitudinales producidas por cargas sostenidas tienen su límite de validez en 1.33 veces la tensión admisible del material a la temperatura considerada (Sh). Es decir, SL (sostenidas + ocasionales) < 1.33 Sh. . Los valores de Sh, según tabla A1 del Apéndice A del código ASME B31.3 ó ASME B31.1.
Desarrollo de las actividades
Para acometer el análisis de tensiones de un sistema respecto a las cargas ocasionales, en principio es prioritario el determinar cual de las condiciones entre viento y sismo es dominante y por tanto más desfavorable. Esta condición, conjuntamente con cualquier otra condición a que con carácter ocasional pueda verse sometido el sistema, concretará la situación a analizar.
Dependiendo de la zona de ubicación de la planta, tendremos:
- Clasificación de zona sísmica
- Clasificación de zona no sísmica
- Clasificación eólica de la zona
En zonas clasificadas no sísmicas, evidentemente la situación a analizar es única y univoca. Sin embargo, en zonas de clasificación sísmica, a veces resulta difícil a priori determinar cual de las condiciones, entre sismo y viento, es más desfavorable, por lo que se hace necesario el análisis para ambas.
En general, excepto los sistemas de tuberías de tamaños grandes y con alto grado de solicitud térmica, no presentan problemas desde el punto de vista de carga ocasionales debidas a sismo o viento, si siguiendo una buena práctica de ingeniería, han sido soportadas y guiadas adecuadamente.
En sistemas no críticos en los que no se requiere un análisis formal vía programa informatizado, pero que aconsejen una simple verificación de las partes del sistema más libres y por tanto mayormente solicitadas por este tipo de cargas, tal verificación se realizará auxiliándose en formulaciones simples de resistencia de materiales y tomando como tensión orientativa de comparación 0,33 veces la tensión admisible del material a temperatura. Este límite es altamente conservador, ya que presupone que la tensión longitudinal debida a cargas sostenidas en el punto más solicitado de la zona analizada, haya agotado su límite de validez (Sh). Si con esta verificación simple no se obtuviese unos resultados concluyentes, se requeriría una mayor profundización en el análisis de la zona en cuestión en cuanto a cargas sostenidas se refiere, al objeto de poder incrementar el límite orientativo de 0,33 Sh para cargas ocasionales.
Los sistemas de tuberías que resultan ser críticos en cuanto a cargas ocasionales, responden principalmente a los siguientes motivos:
- Sistemas de gran tamaño y temperatura en las que, como demanda su rigidez y solicitud térmica, el uso de guías y soportes rígidos se ve consecuentemente restringido.
- Sistemas que conectan a torres esbeltas en las que los movimientos de las tubuladuras debidos a las acciones del viento y sismo, son significativas.
- Sistemas que conectan a equipos soportados a estructuras esbeltas y/o con puntos del sistema con algún grado de restricción en dichas estructuras, con idéntico resultado en cuanto a movimientos en tubuladuras y puntos restringidos.
- Sistemas de alta presión dotados de válvulas de seguridad por cuanto el efecto de reacción del disparo de dichas válvulas supone.
En general, un sistema de tuberías que presenta cierta criticidad por cargas ocasionales, no lo es en sí solamente por este tipo de cargas, sino por el conjunto de cargas a las que se ve sometido. (térmicas, sostenidas y ocasionales). Consecuentemente, estos sistemas requieren un análisis completo de tensiones vía programa informatizado.
DATOS INICIALES
Son datos básicos para acometer el análisis de tensiones originadas por cargas ocasionales, los siguientes:
- Para cargas debidas a viento: Velocidad del viento
- Para cargas debidas a sismo: Aceleración sísmica básica del terreno
- Para cargas debidas a disparo de válvulas de seguridad: Caudal de descarga, Presión de tarado, Temperatura en entrada de válvula, Peso molecular del gas a vapor, Coeficiente adiabático del gas o vapor, otros relativos a la válvula de seguridad en cuestión.
Las fuentes para obtener los datos concernientes a viento y sismo, dependen del proyecto en cuestión y son fundamentalmente función de su ubicación. Estas fuentes pueden ser:
- Especificación WA-101 "Datos básicos del Proyecto”, que recoge los requisitos del Cliente al respecto.
- Capítulo V. "Acciones del Viento” de la Norma Básica de la Edificación NBE-AE-88 (Proyectos Nacionales).
- Norma de Construcción Sismorresistente, NCS-94 (Proyectos Nacionales).
- Capítulo 16 del “Uniform Building Code” UBC-94. Norma sismorresistente y de viento de aplicación en U.S.A., que aplica a proyectos internacionales en ausencia de norma de aplicación propia o como complemento a la existente del país de ubicación de la planta.
En general, los criterios de aplicación en cuanto a cargas de viento y sismo, vienen recogidas en la especificación de Diseño de Obra Civil y Estructuras de aplicación al proyecto y que como compendio de las normas que rijan de las anteriormente mencionadas, edita el Departamento de Estructuras.
Los datos mencionados para calcular la reacción de disparo de las válvulas de seguridad se obtienen de las hojas de datos de dichas válvulas, originadas por el Departamento de Instrumentación, y que constituye el documento básico para la compra de las mismas. A veces, dependiendo del método de cálculo utilizado para determinar dicha reacción, se requieren datos de los gases o vapores no especificados en las hojas de datos de las válvulas de seguridad. En dicho caso, estos datos se obtendrán del Departamento de Procesos.
El resto de datos necesarios, concernientes a materiales, presión/temperatura, fluido, aislamiento, trazado inicial, estructuras, etc., así como sus fuentes de obtención, ya han sido detalladas en "Estudios de Flexibilidad. Cargas térmicas” y "Estudios de Flexibilidad. Cargas sostenidas”. Estos datos, conjuntamente con los relacionados en esta guía, completan todos los datos necesarios para abordar el análisis de tensiones completo, a que en general, un sistema de tuberías se puede ver sometido.
ELABORACIÓN
En general, para el proceso a seguir en el desarrollo de los estudios de análisis de tensiones debidas a cargas ocasionales, se hace extensivo lo indicado en "Estudios de Flexibilidad. Cargas térmicas”.
Adicionalmente, los análisis de un sistema debido a cargas ocasionales, tendrán el siguiente tratamiento:
En sistemas de tuberías no críticos, en los que para el análisis de dicho sistema nos auxiliamos de formulaciones simples de resistencia de materiales, se asume que el viento produce una carga uniformemente distribuida sobre los elementos perpendiculares a la dirección del mismo o sobre las proyecciones de dichos elementos sobre planos perpendiculares a dicha dirección.
Partiendo de la velocidad del viento, se obtiene una presión dinámica (Kg/m2) que afectada por un coeficiente eólico de forma, nos dará el valor final a aplicar. Traduciendo este valor final a aplicar en una carga uniformemente repartida de distribución lineal, obtendremos el dato base a tener en cuenta en nuestros cálculos simplificados.
Análogamente, el sismo origina en el sistema acciones y tensiones, producto de someter la masa de los elementos constitutivos de dicho sistema a una aceleración horizontal expresada en relación al valor de la gravedad.
Partiendo de la aceleración sísmica básica, valor característico de la aceleración horizontal de la superficie del terreno, y afectando a dicho valor de coeficientes adimensionales que dependiendo de la norma que rija, pueden modificar dicho valor, obtendremos el valor de la aceleración sísmica de cálculo. Determinando a partir de dicho valor una carga uniformemente repartida de distribución lineal para los elementos con una distribución uniforme de la masa, así como cargas puntuales para elementos de dimensiones pequeñas y masa significativa (válvulas, bridas, etc.), obtendremos datos básicos para acometer los estudios simplificados, auxiliándonos de formulaciones simples de resistencia de materiales.
La descarga de una válvulas de seguridad sin tubería de conexión en la salida, impone principalmente una acción de reacción sobre la válvula y tubería de entrada, opuesta a la dirección de salida del fluido. En sistemas, como suele ser lo habitual, con tubería de conexión en la salida bien abiertas a la atmósfera o bien descargando a sistemas cerrados, además de la acción de reacción mencionada, se originan reacciones en los cambios de dirección de dicha tubería, con principal incidencia sobre el primer codo de la tubería de salida de dicho sistema.
Los procedimientos para el cálculo de las fuerzas de reacción pueden variar considerablemente, desde la aplicación de fórmulas empíricas simplificadas para la evaluación aproximada de dichas fuerzas, hasta soluciones termodinámicas muy rigurosas. Los fabricantes de válvulas de seguridad incluyen en sus publicaciones métodos aproximados de cálculo, con el principal objeto de ofrecer una asistencia técnica, pero no asumiendo ni la obligación ni la responsabilidad de su aplicación en el diseño de una instalación.
Se incluye en esta guía información técnica de fabricantes reconocidos de válvulas de seguridad cuyos métodos de cálculo para la evaluación de estas reacciones, han sido tradicionalmente empleadas por las Ingenierías. Si bien, las reacciones así evaluadas se las afecta de un factor "Factor dinámico de Impacto” cuyo valor mínimo será 1,5 y máximo igual a 2.
El código ASME B31.1, en su APPENDIXII, incluye a modo de guía, normas de no obligado cumplimiento, que con el objeto de ilustrar y clasificar las instalaciones de válvulas de seguridad, orientando en su diseño, fabricación, materiales, etc., hace un seguimiento más profundo sobre el cálculo general de la instalación. La inclusión de dicho apéndice en esta guía, tiene consecuentemente, el mismo objeto orientativo.
En sistemas de tuberías críticos, para los que se requiere un análisis formal vía programa informatizado, los métodos de análisis utilizados pueden ser estáticos o dinámicos, mucho más rigurosos. Los métodos estáticos han demostrado ser suficientemente adecuados para el cálculo de las tuberías de unidades de proceso de refinerías y plantas petroquímicas, así como en el cálculo de sus estructuras.
Los programas de ordenador habitualmente utilizados (CAEPIPE y CAESAR II) requieren como datos de entrada para realizar los cálculos de tensiones debidas a cargas ocasionales, los siguientes:
- Velocidad del viento
- Aceleración sísmica de cálculo, expresada en relación al valor de la fuerza de gravedad
- Movimientos horizontales de tubuladuras de equipos y puntos soporte restringidos horizontalmente en equipos y estructuras debidos a viento o sismo.
- Acciones debidas a disparos de válvulas de seguridad
Los métodos de cálculo estático para analizar las tensiones debidas a cargas ocasionales, acometidos por medio de los programas mencionados, no posibilitan la inclusión de los movimientos impuestos por tubuladuras o estructuras debidos a este tipo de carga en dicho análisis, por lo que estos movimientos son imputados, y de esta forma tenidos en cuenta, en el cálculo de las tensiones debidas a efectos térmicos. El Código B31.1 en su párrafo 104.8.2 Stress due to occasional loads, así lo establece.
Del mismo modo, las acciones debidas a disparos de válvulas de seguridad se introducen como cargas externas puntuales actuando sobre el sistema, y tienen su imputación en las tensiones debidas a cargas sostenidas. Consideración conservadora que deberá tenerse en cuenta al analizar los resultados así obtenidos.
Usuarios finales
Son usuarios finales de las acciones originadas por cargas ocasionales los Dptos. de Estructuras, Calderería, Mecánica, así como los fabricantes de otros equipos para, en unas casos, su consideración en el cálculo de las Estructuras/Equipos de su competencia o, en otros casos, para su verificación en cuanto a confirmar su aceptación. Estas cargas se transmiten el mismo tiempo que las correspondientes a operación del sistema. El tratamiento que cada usuario requiera hacer, en cuanto a su posible necesidad de combinación, dependerá de las exigencias del código que ampare el cálculo de la Estructura o Equipo de su competencia.
