Estudios de Flexibilidad Cargas térmicas
Desde el punto de vista del análisis de la flexibilidad de un sistema, tienen la consideración de cargas térmicas aquellas producidas como consecuencia de la propia temperatura, del movimiento de los puntos de conexión a equipos o estructuras y del asentamiento del terreno. Son cargas cuyo efecto sobre el sistema varía según este se deforma ante su presencia o que en sí mismas tienen limitada su actuación (las debidas al asentamiento).
Las cargas térmicas originadas por la propia temperatura tienen su expresión en los efectos producidos por la dilatación o contracción de la tubería, los producidos en la pared de la tubería como consecuencia de una distribución no uniforme de la temperatura (en el caso de flujos en dos fases, por ejemplo, con curvamiento del eje longitudinal de la tubería) o los producidos como consecuencia de dilataciones desiguales (por diferentes materiales o diferentes temperaturas, en líneas encamisadas, por ejemplo).
Desarrollo de las actividades
La dilatación de la propia tubería se establece en base a la tabla C-1 del Apéndice C del código ASME B31.3, donde se muestra para cada material, la expansión lineal total según la temperatura, partiendo de 70 °F (21 °C) como temperatura de instalación. Para transformar estos valores en mm/m multiplicar por 0,833.
En climas muy fríos, donde las tuberías pueda suponerse que se van a soldar a temperaturas próximas a los 4 °C (mínima posible para realizar soldaduras), será necesario contemplar este valor como punto de arranque de dilataciones positivas. Por el contrario para instalaciones frías en climas muy calientes, deberá considerarse que las tuberías puedan soldarse estando calentadas por el sol, en cuyo caso el metal puede alcanzar la temperatura de 55 °C, debiendo ser este el punto de arranque de las contracciones. Para las contracciones y dilataciones respectivamente, pueden considerarse los citados 21°C como temperatura base.
La circunstancia térmica a contemplar será aquella que, en combinación con el resto de consideraciones, proporcione la hipótesis de estudio más desfavorable. Se tendrá en cuenta no sólo la operación normal sino cualquier otra posible, así como circunstancias especiales de limpieza con vapor, etc.. En el caso de que esta sea una condición no permanente será preciso matizar si puede ocurrir de forma continuada por un periodo de tiempo inferior a 50 horas continuadas o a 500 horas al año, en cuyo caso el limite de tensión admisible a temperatura, Sh , puede superarse en el 20%, o por un periodo de tiempo inferior a 10 horas continuadas o a 100 horas al año, en cuyo caso este limite puede superarse en el 33%. Así el límite de tensión térmica admisible sería respectivamente:
siendo SL inferior a 1,25 * Sh y 1,33 * Sh en cada caso.
El movimiento que tiene lugar en las tubuladuras de los equipos a los que pueda conectar el sistema de tuberías objeto de análisis es también dato a incorporar en el estudio. Se calcula dependiendo de la configuración de cada equipo en particular y los valores obtenidos son aproximados.
Para los equipos pequeños, con una única corriente de fluido (bombas, turbinas,...) se utiliza la temperatura de la misma como de aplicación al equipo. El movimiento de sus tubuladuras será función de su distancia al eje o plano de soporte. En algunos casos es el propio fabricante quien aporta el dato junto a los valores de esfuerzos máximos a soportar (fuerzas y momentos en los tres ejes principales).
Para equipos de intercambio térmico se establecen temperaturas medias en base a la de entrada y la de salida, aplicándolas al mismo en consonancia con su estructura mecánica y la circulación de los fluidos. En ocasiones le es requerido al especialista de flexibilidad que determine cual de los soportes ha de ser el fijo y, consecuentemente, cual el deslizante, cosa que establece en base a la mejor compensación de dilataciones entre el equipo y las tuberías que a él conecten. En el caso de aerorrefrigerantes y también en base a la mejor compensación de dilataciones, la decisión del especialista de flexibilidad en cuanto al cabezal fijo y deslizante es determinante. En aerorrefrigerantes con entrada y salida en el mismo extremo, será este el fijo.
Para las torres de fraccionamiento, donde pueden ser múltiples las corrientes de fluido entrando y saliendo, se establece como hipótesis básica que sólo las corrientes de salida son significativas de la temperatura existente en su interior. Las de entrada deberán considerarse cuando su caudal sea principal o de gran significado. También, al estar normalmente soportadas por medio de faldones, será preciso considerar el movimiento ascendente de la línea en que se produce la unión como consecuencia de la temperatura transmitida al mismo. A los esquemas de las torres con la indicación del movimiento en cada tubuladura se les denomina fever charts.
Para la determinación del movimiento de las tubuladuras en otros equipos se aplicarán, con lógica, los conceptos tratados en los ya mencionados, si es que no fuesen aportados por el fabricante.
Al igual que se ha de tener en cuenta el movimiento producido en las tubuladuras, también será preciso considerar las posibles libertades que tales puntos de unión puedan ofrecer, incluso que puedan moverse por imposición de la expansión de la tubería. Tal es el caso de aerorrefrigerantes, hornos, etc..
La libertad de expansión se ve restringida en los puntos de soporte por la fricción, que genera una fuerza horizontal en sentido opuesto al movimiento. Efecto este a considerar cuando los sistemas son de diámetro grande y llenos de líquido. Los coeficientes de fricción depende de los materiales en contacto y están recogidos en la Especificación de Soportes para Tuberías, siendo en ocasiones una buena solución proveer dispositivos con placas de Teflón o Lubritte, que favorecen el deslizamiento.
Los asentamientos pueden considerarse como movimientos impuestos en las tubuladuras o puntos de apoyo si estos se producen en los equipos ya interconectados o en las estructuras soporte de las tuberías, respectivamente. El valor de los asentamientos los determina el Departamento de Estructuras en base al correspondiente estudio geotécnico y las fundaciones diseñadas. La secuencia del asentamiento producido es la siguiente: el terreno se compacta al ser construido el equipo; posteriormente se compacta más al ser llenado de agua para la prueba hidráulica; cuando se vacía, el equipo rebota, siendo este rebote tanto mayor cuanto más elástico sea el terreno; cuando entra en operación el equipo vuelve a asentar debido al líquido de su interior; con el transcurso del tiempo el equipo sigue asentándose hasta la consolidación final del terreno.
De interés para ser considerado en el estudio de flexibilidad es el asentamiento esperado en el equipo después de conectar las tuberías, con posterioridad a haberse realizado la prueba hidráulica, sobre todo en los grandes tanques de almacenamiento. En el interior de unidades será preciso concretar qué tuberías no han de conectarse a los equipos hasta después de haber realizado la prueba hidráulica ya que es habitual hacerla con ellas conectadas.
Cuando los asentamientos esperados puedan poner en peligro la integridad de los equipos, estos suelen disponerse sobre cimentaciones pilotadas. Cuando los asentamientos de dos equipos próximos e interconectados sean muy diferentes, estos suelen disponerse sobre cimentación común.
• DATOS INICIALES
Uno de los documentos básicos que aportan datos para los estudios de flexibilidad en relación con las cargas térmicas, es la Lista de Líneas. En ella figuran las diferentes condiciones de presión y temperatura a las que se puede encontrar una tubería, la naturaleza del sistema de calefacción cuando lo lleva (eléctrico, trazada, encamisada,...) y cualquier circunstancia especial de funcionamiento que deba ser tenida en cuenta.
Las condiciones de limpieza con vapor y los niveles térmicos del mismo son temas que se suelen establecer con carácter general para los diferentes servicios de la instalación.
Con el Departamento de Procesos será preciso consultar cualquier circunstancia especial de operación que pueda ser determinante para el estudio a realizar. Regeneración de reactores, decoquizado de los hornos, inversión de circulaciones, etc..
Los planos de los equipos que nos permitan establecer el movimiento esperado para cada tubuladura y los límites de esfuerzos tolerables sobre las mismas, son documentos y datos también básicos para determinar las hipótesis del estudio a realizar.
El recorrido inicialmente previsto por el Grupo de Diseño para la tubería objeto de análisis, plasmado en forma isométrica, constituye el punto de partida para los estudios a realizar.
También son documentos de partida aquellos donde se muestran las estructuras principales por las que pueda transcurrir la tubería objeto de estudio, de forma que se puedan establecer los adecuados puntos de soporte. La disposición de la tubería en planta, junto a otras tuberías que existan en la zona suele ser también determinante, sobre todo para fijar la posición de los soportes.
• ELABORACIÓN
En el desarrollo de los estudios de flexibilidad es conveniente seguir el siguiente proceso:
Recopilación de datos iniciales: Isométrica, Lista de Líneas, criterios especiales de limpieza, operaciones singulares ., planos de los equipos, plano de planta, planos de estructuras, .
Establecimiento de la hipótesis envolvente y de aquella o aquellas que puedan generar acciones particulares en cada uno de los ejes principales de la tubería produciendo valores previsiblemente superiores a los producidos por la hipótesis envolvente.
Determinar método de análisis a usar: simplificado, a resolver con la ayuda de tablas y gráficos, o formal, a resolver mediante el empleo de programas de ordenador adecuados. Previamente habrán sido descartadas todas aquellas líneas que puedan ser aceptadas comparándolas con otras iguales ya aprobadas o en funcionamiento satisfactorio.
Evaluar los resultados de todas las hipótesis analizadas e informar si procede de los esfuerzos producidos en tubuladuras o puntos de soporte y restricción.
Aprobar el trazado o sugerir cambios a Diseño en la búsqueda de la flexibilidad necesaria.
Materializar la aprobación del sistema estudiado por medio de firma en la isométrica o isométricas correspondientes.
Dejar constancia documental de las hipótesis de soportación establecidas y de los tipos y rango de movimiento en los muelles utilizados (si alguno), sobre copia de trabajo de la isométrica, y de las consultas y aceptaciones de valores impuestos en tubuladuras y estructuras, en los archivos de correspondencia al efecto.
• CONSIDERACIONES SOBRE LAS TUBERÍAS CONECTADAS A CIERTOS EQUIPOS
Las líneas que conectan a una torre se disponen en su bajada lo más pegadas a ella posible de forma que en lugar próximo a las tubuladuras de conexión pueda colocarse un brazo para apoyarlas, normalmente por medio de trunnions horizontales. En su recorrido vertical se disponen las guías suficientes para estabilizarla frente a fenómenos de viento o terremoto, siendo la última, antes de tomar la dirección horizontal, la guía que más contribuye en limitar la flexibilidad de la tubería. Las guías serán totales o solamente en una dirección dependiendo de las necesidades. El movimiento esperado en el codo donde cambia de dirección será determinante para establecer si el siguiente punto de apoyo puede ser fijo o requiere la instalación de un muelle.
Especial atención merecen las líneas que conectan tubuladuras localizadas en la zona alta de torres esbeltas, con otras torres o equipos fijos situados a similar altura, a fin de dotarlas de adecuada flexibilidad horizontal que absorba las flechas originadas por la acción del viento o el terremoto, en adición a la propia expansión térmica del sistema.
En ocasiones muy especiales, cuando la torre es muy alta, la tubería de tamaño suficiente y su recorrido largo, puede requerirse disponer a medio camino un nuevo brazo para, por medio de muelles, descargar el primero situado en la parte superior.
Los recipientes verticales elevados, que no son de almacenamiento, se comportan de forma similar a las torres, si bien las corrientes de fluido suelen tener temperaturas más uniformes, por lo que la determinación del movimiento de sus tubuladuras es simple.
Las tuberías de proceso que conectan a hornos suelen tener grandes dilataciones. Es muy conveniente analizar los planos del equipo para determinar la posibilidad de imponer ciertos movimientos a las tubuladuras de conexión que permitan un trazado de las tuberías no excesivamente largo y flexible. Esta imposición suele ser normalmente aceptada y depende de la configuración interior de los colectores y serpentines para que el desplazamiento de la tubuladura pueda ser axial o transversal. Las tuberías de servicios a quemadores suelen diseñarse simétricas de forma que un único estudio valide todos los trazados.
Consideración particular merecen las líneas de transferencia entre hornos y torres de crudo por su gran tamaño y necesidad de simetría en sus conexiones. El uso de muelles suele producir grandes desequilibrios en el caso de que la línea pueda inundarse, parcial o totalmente, ya que el peso del fluido es muy influyente.
En las líneas de proceso, en el caso de imposición de movimientos a las tubuladuras de un horno, y muy en particular cuando los colectores interiores y sus serpentines están soportados con muelles, se hace imprescindible el estudio de la flexibilidad de todo el sistema en conjunto; es decir, línea de entrada + el colector interior de entrada y sus serpentines + colector interior común a serpentines de entrada y salida + colector interior de salida y sus serpentines + línea de salida. Tal requisito viene impuesto por la necesidad de obtener resultados fiables de tensiones, acciones en puntos críticos de la instalación, tarado de muelles y sus movimientos, etc.., debido a la gran influencia que la interrelación de rigideces, de las partes interiores y de las exteriores, tienen en el equilibrio final del sistema.
La criticidad de estas líneas, debido en general a su gran tamaño, a lo especial de su material, como consecuencia de las altas temperaturas a que se ven sometidas, y a las limitaciones lógicas de pérdida de carga, exige que su trazado sea lo más corto posible, siendo su estudio desde el punto de vista de la flexibilidad determinante incluso para fijar la implantación de los equipos que interconectan.
Para el estudio de las tuberías que unen parejas de bombas se tendrá en cuenta la reducción de tamaño que suelen tener al conectar con las tubuladuras y la posibilidad de que una funcione y la otra no. Tratar de proteger las tubuladuras disponiendo restricciones en las tuberías próximas a ellas no es muy procedente, dado que la construcción de las mismas no suele hacerse con la suficiente precisión como para que impidan los movimientos tan pequeños que en esos puntos pueden tener lugar. Si es posible la estabilidad del puente se debe lograr mediante restricciones en el tramo de tubería que es común.
Las tuberías que conectan a intercambiadores de calor suelen discurrir paralelas a ellos desde el pipe rack, hasta sus tubuladuras de conexión, situadas generalmente en el extremo más alejado. Se suelen soportar sobre postes dispuestos a tal fin o desde el propio intercambiador.
Aunque la determinación del soporte fijo en los cambiadores de calor se hace en base a la mejor compensación de dilataciones entre el equipo y las líneas consideradas críticas, las tuberías que conectan a las tubuladuras más alejadas de dicho punto fijo están sometidas (y muy particularmente en el caso de cambiadores de alta temperatura) a considerables movimientos horizontales impuestos que será necesario contemplar en la determinación de la adecuada flexibilidad.
En una batería de cambiadores de alta presión / temperatura la interconexión de los mismos, tubuladura con tubuladura, o por medio de pequeñas piezas de tubería interpuestas, obliga a que los soportes fijos sean los más próximos a estas interconexiones. En los estudios de flexibilidad de las líneas que interconectan otras tubuladuras se debe ser muy preciso en el cálculo del movimiento originado en estas, por ser determinante para la flexibilidad de la línea, ya que, en general, los espacios disponibles para los trazados de las mismas son limitados y la posibilidad de utilizar codos no deseable, debido a su alto costo. Es practica habitual en los trazados de tuberías que interconectan tubuladuras situadas en un mismo plano vertical, proporcionar flexibilidad con trazados en planos oblicuos sin incorporar otro codos.
En el caso de reboilers, la severa limitación de posible perdida de carga en sus líneas de proceso conectadas a la torre obliga a que estas sean lo más cortas posible, siendo obligado, en ocasiones, incorporar el propio equipo al sistema en estudio para contemplar su propia flexibilidad y capacidad de giro.
Tratándose de aerorrefrigerantes, cuando las tubuladuras de entrada y salida conectan sobre el mismo cabezal, no partido, la línea de entrada se traza rígida de forma que pueda arrastrar los cajones, siendo la línea de salida, en la parte inferior, la que se traza con elasticidad suficiente para absorber la diferencia de expansiones.
Los recipientes horizontales que no son para intercambio de calor, se comportan de forma similar a la carcasa de los intercambiadores de calor, si bien las corrientes de fluido suelen tener temperaturas más uniformes, por lo que la determinación del movimiento de sus tubuladuras es simple.
Las turbinas son equipos muy críticos desde el punto de vista de su equilibrio mecánico, consecuencia de las altas velocidades de sus álabes y de su ajuste con la carcasa. Los esfuerzos sobre sus tubuladuras están limitados por los códigos correspondientes y no solo se analiza qué ocurre sobre cada conexión a nivel individual sino que se mide la repercusión de todas las acciones conjuntamente sobre la máquina.
El trazado de las líneas que conectan a una turbina se hará de forma que permita la incorporación de topes próximos a las conexiones para que, además de compensar la dilatación de las líneas con el movimiento de las tubuladuras, se proteja la máquina de acciones externas.
Los tanques de almacenamiento se caracterizan por su gran diámetro y su posible asentamiento. La expansión circunferencial no suele tener repercusión, mientras que el asentamiento puede necesitar la aplicación de muelles, e incluso de soportes regulables verticalmente.
Usuarios finales
Las cargas térmicas son solamente parte de los efectos a que se ve sometida una instalación de tuberías y en sí mismas no constituyen la totalidad de los efectos a considerar. Será preciso contemplarlas conjuntamente con las permanentes y las ocasionales, siendo usuarios los Departamentos de Calderería y Estructuras que las contemplaran como efecto sobre sus equipos y dispositivos. Igualmente los fabricantes de equipos también han de conocerlas para confirmar su aceptación, en el caso de que no estén amparadas por los códigos de fabricación correspondientes.
