Estudios de flexibilidad Cargas sostenidas
En el análisis de tensiones de un sistema de tuberías sometido a ciertas condiciones de presión y temperatura, tienen la consideración de cargas sostenidas aquellas originadas por su presión interna, su propio peso y cualquier otra carga que con carácter permanente actúe sobre el sistema. Son cargas cuyo efecto, debido a su carácter permanente de actuación, no varían frente a deformaciones del sistema, produciendo su rotura si se sobrepasan los límites resistentes del mismo.
Las tensiones longitudinales (SL) producidas por cargas sostenidas en un sistema, tienen su límite de validez en la máxima tensión admisible del material a la temperatura considerada (Sh). Es decir: SL = Sh . Los valores de Sh serán en cada caso según tabla A1 del Apéndice A del código ASME B31.3 o ASME B31.1.
Desarrollo de las actividades
La condición de presión a considerar, dentro de las condiciones reales a que un sistema de tuberías puede operar, será aquella que conjuntamente con su temperatura proporcione la hipótesis de estudio más desfavorable. Al igual que lo contemplado para las cargas térmicas, para condiciones no permanentes dentro de las limitaciones de 50 horas continuas y 500 máximas al año, ó 10 horas continuas y 100 horas máximas al año, la tensión máxima admisible a temperatura Sh , se puede aumentar en un 20% ó en un 33% respectivamente. Esto es:
SL = 1,2 Sh ó SL = 1,33 Sh , respectivamente
Como consecuencia de lo anterior, no siempre la condición con mayor presión a igual o mayor temperatura, origina la hipótesis más desfavorable de estudio, ya que al poder ser ésta no permanente, dentro de estos límites establecidos, la tensión admisible de comparación también es mayor.
La presión interna en una tubería origina en la misma, tensiones longitudinales de valor igual a la mitad de las tensiones circunferenciales originadas por el mismo efecto. Consecuentemente en un sistema de tuberías sometido a presión, en el que su espesor mínimo requerido habrá sido determinado en función a la limitación de tensión circunferencial que dicha presión produce, sabemos que al menos la mitad de la tensión admisible (Sh) está disponible, para las tensiones longitudinales que el propio peso y otras cargas sostenidas originan.
Factor determinante de los efectos causados en la tubería por su peso propio es la localización de sus puntos de soporte.
En los sistemas de tuberías no críticos, que no requieren un estudio formal vía programa informatizado, es práctica habitual hacer separadamente estudios conservadores simplificados de peso propio para determinar los puntos de soportes que dicho sistema requiere. En esta circunstancia y en razón de lo anotado anteriormente, la tensión así calculada tendrá su límite de comparación con la tensión máxima admisible a temperatura dividida por dos. Aún así este límite de comparación sigue siendo conservador, ya que el espesor de pared de una tubería no se ajusta al mínimo requerido por presión sino al comercial inmediato superior.
Igualmente es habitual auxiliarse de tablas y ábacos en la determinación de la distancia entre puntos de soporte para diferentes configuraciones en sistemas no críticos, o para la predeterminación de dichos puntos de soporte en sistemas críticos, que se incluirán en el sistema para su modelización y estudio formal, vía programa informatizado. Estas tablas y ábacos están basadas en formulaciones simples de resistencia de materiales y limitadas a una tensión máxima de flexión y/o máxima flecha y cubriendo una gama determinada de espesores de tuberías, fluido contenido y aislamiento. El límite de tensión considerada para la confección de estas tablas y ábacos es más bien bajo, del orden de 300 Kg/cm2 y tiene por objeto cubrir una gama alta de aplicación en cuanto a temperatura de funcionamiento del sistema. Por ejemplo, con la limitación indicada, se cubriría hasta una temperatura aproximada de 450°C para un acero al carbono grado B y hasta aproximadamente 500°C para un acero inoxidable grado 304L.
En otros ábacos, basados igualmente en formulaciones simples de resistencia de materiales y mismas limitaciones, el vano máximo admisible se obtiene en función de valores características de una tubería, tales como el momento de inercia, módulo resistente y peso línea.
En sistemas de tuberías, generalmente de D.N. = 8”, los esfuerzos locales originados en los puntos de soporte, podrían imponer una condición más restrictiva que la impuesta por la tensión y/o flecha en el centro del vano. Con el objeto de evitarlo se disponen elementos de transición soldados a la tubería, tales como cunas y silletas, con las que se consigue reforzar la zona de soporte de la tubería y distribuir mejor las cargas que, como consecuencia del propio peso, esfuerzos térmicos, etc. se transmiten a través de dicha zona de soporte.
La necesidad de cuna o silleta en D.N.= 16” se establece en función de la relación entre el diámetro exterior de la tubería y del espesor mínimo una vez corroído. Así, en tubería de 16” = DN = 36” se reforzarán con cuna si D/t < 95 y con silleta si D/t = 95. A partir de 36” se emplea siempre silleta.
La necesidad de cunas para tuberías de D.N. = 14” apoyadas directamente sobre un área pequeña, por ejemplo sobre redondo, se establece basándose en la limitación de tensión de flexión circunferencial local que en adición a la tensión circunferencial debida a presión, tiene su valor máximo admisible en 2,25 veces el valor del límite elástico del material.
En fase inicial de un proyecto y a tenor de lo anteriormente establecido, es de gran utilidad el desarrollo de tablas en las que se establece la necesidad de cunas y silletas para cada una de las especificaciones de materiales dependiendo del diámetro nominal de la tubería.
DATOS INICIALES
La presión, dato básico en el cálculo de tensiones originadas por cargas sostenidas, se obtiene de la Lista de Líneas. En ésta figuran las diferentes condiciones de presión y temperatura a las que puede funcionar un sistema, así como la condición de diseño.
En principio, la presión a considerar será la presión de diseño como condición envolvente de todas las presiones a que el sistema puede funcionar.
En sistemas críticos, donde tal consideración condicione la validez del mismo, se tomará la condición de presión/temperatura que entre las condiciones reales a las que el sistema pueda funcionar, origine la condición tensional más desfavorable. Es de resaltar que el beneficio obtenido de esta forma, no sólo afecta a las tensiones originadas por cargas sostenidas, sino también a las térmicas y a las de cargas ocasionales, dado que sus limitaciones de tensiones se ven aumentadas en la diferencia entre la máxima tensión admisible debido a cargas sostenidas y la tensión de trabajo originada por dichas cargas.
También, de la Lista de Líneas obtendremos otros datos necesarios referentes a aislamiento y peso específico del fluido contenido.
De la especificación “Clasificación de Materiales de Tubería”, obtendremos: clase de material, margen de corrosión, espesores de pared para los diferentes tamaños de tuberías, “rating” de bridas y válvulas, tipo de refuerzo en conexiones colector/ramal, etc., datos todos ellos necesarios para acometer el análisis. Para la obtención de datos de pesos de los diferentes elementos de un sistema de tuberías, cubiertos por una especificación, se utiliza información en forma de tablas en función del D.N. de la tubería.
Los datos de pesos de otros elementos del sistema, tales como válvulas de seguridad, válvulas de control, válvulas motorizadas, medidores de flujo, filtros especiales, silenciadores, etc., se obtendrán de los planos de dichos elementos facilitados por los Departamentos responsables de su especificación y compra, Departamentos de Instrumentación y de Mecánica.
Respecto a: Planos de equipos, recorrido del sistema inicialmente previsto por "Diseño”, información de estructuras principales, etc. es extensivo lo indicado en el post de "Estudios de Flexibilidad. Cargas térmicas”-
ELABORACIÓN
En general, para el proceso a seguir en el desarrollo de los estudios de análisis de tensiones debidas a cargas sostenidas, se hace extensivo lo indicado en el post de "Estudios de Flexibilidad. Cargas térmicas”.
Adicionalmente, el peso propio de los diferentes elementos de un sistema de tuberías, tendrá el siguiente tratamiento:
Tubería, fluido contenido, aislamiento, y otros accesorios con una distribución uniforme de su masa, tales como codos y tes, se supondrán de peso uniformemente repartido.
Válvulas estándar, de control, de seguridad, motorizadas, etc., con sus contrabridas, pares de bridas, así como todo elemento de dimensiones pequeñas y peso significativo, se tratará como un peso concentrado localizado en su centro de gravedad.
Para otros elementos de dimensiones significativas tales como eyectores, silenciadores, filtros, etc. y cualquier otro equipo que requiera su consideración en el sistema a analizar, se reflejarán sus dimensiones recurriéndose normalmente a una combinación de peso uniformemente repartido y peso concentrado.
Especial consideración tendrán los sistemas de tuberías de diámetro grande operando con gases, en lo referente a su condición de prueba, cuando ésta sea hidráulica, por cuanto dicha condición afecta significativamente a las acciones sobre Estructuras/Equipos asociados a dicho sistema.
En los sistemas de tuberías a vacío y siempre que sea necesaria la instalación de anillos rigidizadores para acortar la longitud libre de la tubería, se considerará la posibilidad de hacer coincidir estos en los puntos de soporte a fin de proporcionar un dispositivo que pueda cumplir también las posibles necesidades debidas a la carga puntual.
Usuarios finales
Las acciones originadas por cargas sostenidas combinadas algebraicamente con las acciones originadas por las cargas de origen térmico, constituyen las acciones de operación del sistema. Serán usuarios finales de estas acciones los Departamentos de Estructuras, de Calderería, de Mecánica, así como los fabricantes de otros equipos para, en unos 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.
