Estudios de Flexibilidad General

Los circuitos de tuberías existentes en una instalación industrial se ven solicitados por la acción de numerosos fenómenos, de ocurrencia simultánea, o no, que hacen que estos se encuentren en situación diferente a la de su estado natural de reposo.

El objetivo fundamental de los análisis de flexibilidad es determinar el comportamiento de los circuitos de tuberías y su influencia sobre los equipos asociados, de forma que se pueda garantizar la integridad mecánica de la instalación.

La especificación de la calidad del material a emplear en un cierto circuito así como el espesor de las tuberías y la clase de las bridas a usar no está dentro del ámbito de su competencia. En estas tareas participan: la propia Ingeniería Básica, el Cliente, el Grupo de Proyecto y el grupo de Gestión de Materiales del Departamento de Tuberías, cada uno aportando sus necesidades o deseos. Existen casos en los que, es necesario variar algunos de estos parámetros para conseguir la adecuada flexibilidad y resistencia: mayor espesor, clase más alta, etc.

Podemos decir que los especialistas de flexibilidad analizan los circuitos para determinar su comportamiento frente a los siguientes fenómenos:

• Acción de la temperatura propia, en condiciones de operación normal, u otras.
• Movimientos impuestos en sus puntos de unión a equipos, u otros puntos, consecuencia de la acción de la temperatura o de asentamiento del terreno.
• Influencia derivada del funcionamiento de máquinas asociadas. Bombas, Compresores,...
• Acción de fenómenos ocasionales como el viento, el terremoto o la descarga de válvulas de seguridad.
• Acción de cargas sostenidas como el peso propio y otras.

El ámbito de sus análisis abarca la totalidad de los sistemas de tuberías y ha de producir la información necesaria para que otros especialistas de la Oficina Técnica, los Departamentos de Calderería y Estructuras, puedan garantizar también los elementos de su propia competencia, equipos y, estructuras y plataformas, respectivamente.

Lógicamente el método, la extensión y la meticulosidad del análisis a realizar dependerá, entre otras cosas, y fundamentalmente, de la criticidad del circuito, su tamaño (diámetro y forma) y el nivel térmico existente; y siempre considerando la situación que comporte mayor riesgo para la instalación.

Conceptos básicos sobre flexibilidad

Adicionalmente a los criterios de funcionalidad, operabilidad, seguridad, etc., los sistemas de tuberías han de disponerse de forma que, tratando que sus recorridos sean mínimos, los niveles de tensión alcanzados en cualquiera de sus puntos sean inferiores a los máximos admitidos por el código que los ampare. De igual forma las acciones impuestas sobre los equipos a los que se conectan deben ser inferiores a los admitidos expresamente por sus fabricantes o a los admitidos genéricamente por los propios códigos de fabricación y diseño.

Un sistema de tuberías fijado en un extremo y libre en el otro, sometido a la acción de la temperatura, sufre una dilatación que se traduce en un movimiento en este último extremo, proporcional al incremento de temperatura y la distancia que lo separa del extremo fijo. Recuperar la posición de este extremo libre a su estado original genera en la tubería unas tensiones iguales a las que se generarían si este extremo hubiese permanecido fijo durante la variación térmica. La recuperación de la posición exigiría la aplicación de una fuerza y un momento. Estas acciones repercutirían sobre los varios componentes del sistema, sometiéndoles a flexión, compresión/tracción y torsión que se traducen en una cierta tensión. La capacidad de un sistema para absorber su propia dilatación se analiza en base al comportamiento de sus componentes frente a solicitaciones de flexión y torsión sin tener en cuenta las solicitaciones axiales. Ocasionalmente, estas últimas deberán tenerse en cuenta en tuberías con doble pared (encamisadas, por ejemplo), en tuberías calientes enterradas, en tuberías paralelas a distinta temperatura y fijadas una a la otra en diferentes puntos a lo largo de un tramo recto, etc..

La expansión lineal de los materiales a la temperatura de estudio y su módulo de elasticidad son variables determinantes de los fenómenos que se analizan. 

La tensión originada en un sistema puede ser considerada proporcional a la expansión total del mismo (incluida la propia dilatación interna y los desplazamientos externos impuestos) cuando este está equilibrado, con las restricciones bien distribuidas y sin que sean excesivas en ningún punto. Por el contrario, cuando el sistema está desequilibrado, se produce una anormal distribución de la tensión, agravándose si en las zonas críticas se alcanzan valores próximos a la fluencia.

Algunas situaciones producen sistemas desequilibrados: excesivas restricciones distribuidas inconvenientemente, tramos de tubería de pequeño diámetro coexistiendo con tubería de mayor diámetro o más rígida, disminuciones locales de tamaño y/o espesor o existencia de componentes con características mecánicas menores, configuraciones anormales con la existencia de grandes recorridos en una dirección y muy cortos en otra, etc..

Al contrario que para tensiones originadas por la acción de cargas sostenidas, las originadas por la acción de la temperatura pueden alcanzar valores próximos al del punto de fluencia en algunas zonas. Cuando un sistema funciona por primera vez pasa de un nivel de tensión cero, en su posición de instalación, al máximo previsto para esa circunstancia de operación. Con el tiempo, la tensión en los puntos en los que se ha alcanzado el mayor nivel, se relaja como consecuencia de una cierta fluencia. Al cesar los efectos térmicos el sistema no recupera exactamente su posición inicial sino que se originan ciertas tensiones remanentes de sentido contrario a las que se producen en operación. Conforme se suceden los ciclos térmicos, las tensiones en operación alcanzan menores niveles y la tensión remanente en parada aumenta, manteniéndose el valor resultante de sumar ambos límites externos; valor denominado, rango de tensión térmica o de desplazamiento.

El valor de la tensión térmica en un sistema, deducido según párrafo 319.4.4 del código ASME B31.3, tiene su límite en S_A.

Siendo S_A = f * [ 1,25 * (S_c + S_h) - S_L ] donde:

f = Factor reductor, función de los ciclos térmicos esperados durante la vida útil, según

tabla 302.3.5 en código ASME B31.3. Valor 1,0 para un máximo de 7000 ciclos
S_c = Tensión admisible del metal a la temperatura inferior esperada durante el ciclo térmico estudiado

S_h = Tensión admisible del metal a la temperatura máxima esperada durante el ciclo térmico estudiado

ambos valores según tabla A1 del Apéndice A del código ASME B31.3 

S_L = Suma de las tensiones longitudinales debidas a presión interna, peso y otras cargas sostenidas, que ha de ser inferior en cualquier caso a S_h.

En relación con la flexibilidad podemos hacer algunas consideraciones sobre los distintos componentes de un sistema de tuberías:

• La Tubería. En general es el componente básico de la instalación, en función del cual se establece la flexibilidad de un sistema. Es más flexible cuanto menor es su momento de inercia, sea por su menor diámetro o su menor espesor. La disminución del momento de inercia vía disminución de espesor genera circuitos con menos fuerza de reacción interior pero con igual nivel de tensión, pues el módulo resistente también disminuye proporcionalmente.

Supongamos tres tramos rectos de igual longitud y distintos diámetros y/o espesor:

empotrados en un extremo y libre en el otro. El desplazamiento de su extremo libre una misma cantidad D cm la conseguiríamos, respectivamente, con una fuerza F proporcional a:

generándose una tensión de:

pudiéndose establecer las siguientes proporciones, entre las secciones metálicas, las fuerzas y las tensiones:

En circuitos con componentes forjados, la tubería es el único elemento que aporta flexibilidad.

• Codos. Casi siempre que se necesita un cambio de dirección, este se logra con el empleo de codos. Aportan al sistema mayor flexibilidad que la que se podría deducir de su longitud una vez desarrollados. Este incremento de elasticidad está determinado por un factor denominado ... de Flexibilidad (k). Simultáneamente, los codos, bajo la acción de un momento flector pueden sufrir aplastamiento, generando en el sistema punto débiles. Esta circunstancia queda controlada al aplicársele un factor mayor que la unidad para determinar la tensión a que están sometidos. A este factor se le denomina, ... de Intensificación de Esfuerzos (β ). Ambos factores, k y β. son función de la característica de flexibilidad (h), que a su vez es función de la morfología del codo (función directa del espesor y radio de curvatura del mismo e inversa de su diámetro). Existen dos valores de intensificación de esfuerzo según las solicitaciones se produzcan en el plano del codo (β i) o transversalmente a él, fuera de plano (βo).

• Bridas. Existen en la mayoría de los circuitos de tuberías. En sí mismas no aportan flexibilidad si bien trasladan de uno de sus extremos al otro el giro a que puedan verse sometidas. Cuando están unidas a un codo, lo rigidizan, disminuyendo su aportación elástica al sistema. Si está sometida a la acción de un momento flector importante, puede perder su estanqueidad, no sólo por aplastamiento de la junta sino por tracción indebida en sus tornillos (valor de tensión de diseño según tabla A2 del Apéndice A del código ASME B31.3).

Debe ser elemento de consideración especial en circuitos donde una fuga pueda tener graves repercusiones tanto para la instalación como para las personas.

Los efectos externos sobre una brida han de transformarse en un equivalente a presión interna que, sumada a la de operación, no ha de sobrepasar el valor de rating de la brida a esa temperatura, según sea su tamaño, su clase y su material.

• Válvula. Existen también en la mayoría de los circuitos. En sí mismas no aportan flexibilidad pero trasladan de uno de sus extremos al otro el giro a que puedan verse sometidas. Dado que son componentes con elementos móviles no es aconsejable someterlos a grandes solicitaciones, si bien es verdad que su propia robustez las hace muy resistentes. Al ser normalmente bridadas, puede aplicarle lo dicho para las bridas en cuanto a posibles fugas. Por la concentración de carga que suponen, suelen ser soportadas en sus proximidades.

• Ramales. La realización de conexiones en ramal sobre las tuberías ha de cumplir una exigencia mínima: que mantengan la resistencia del sistema bajo la acción de la presión interna. A tal fin, la sección de colector que se elimina para comunicarse con el ramal ha de ser compensada. En algunas ocasiones ya lo está, al disponer el sistema de un espesor en exceso al requerido por la presión interna. En otras, es necesario disponer un componente adicional, sea una chapa de refuerzo o un accesorio forjado (weldolet, te, ...).

El código ASME B31.3 recoge la determinación de la necesidad de reforzar una unión de ramal en su párrafo 304.3.

Desde otro punto de vista y sea cual sea el tipo de conexión realizada (directa tubo a tubo, con refuerzo, con accesorio de ramal forjado o con te), el hecho de producirse un cambio de dirección brusca, genera una cierta intensificación en los niveles de tensión alcanzados. Al igual que para los codos existen factores b diferentes según la solicitación se haga en el plano del ramal-colector o fuera de él.

Desarrollo de las actividades

La actividad de análisis de flexibilidad comienza en la fase inicial del diseño, asesorando las mejores opciones para aquellos circuitos de tuberías considerados críticos, entendiendo como tales los siguientes:

• los que determinen la posición final de los equipos a los que conectan, 
• los de tamaño grande y temperatura alta,
• los de material caro o de gran plazo de entrega y 
• los de recorrido mínimo o, de alguna forma, determinado por el proceso.

La conclusión de la actividad se materializa con la correspondiente firma de la isométrica que, de cada línea, se emite aprobada para construcción, dando así aprobación al diseño realizado, después de haber emitido toda la información necesaria para el trabajo de terceros.

• DATOS INICIALES

Son datos básicos para llevar a cabo la actividad que nos ocupa, los siguientes:

Código que ampara la instalación objeto de análisis.

Posible criterio del Cliente en cuanto a alcance y contenido de los estudios a realizar o a presentar, programa de análisis a utilizar o restricción en el uso de ciertos componentes en la búsqueda de soluciones a la flexibilidad necesaria. Pudiera ocurrir que contractualmente esté exigido el estudio formal con un programa concreto, de ciertas líneas en base a su tamaño o temperatura de operación, y prohibido el uso de juntas de expansión.

Valor a considerar para la velocidad del viento, en la zona de la instalación. Su acción se transforma en una carga horizontal, uniformemente repartida en toda la instalación y aplicada en la dirección dominante del viento. Su valor es función de la velocidad del viento, la forma de la instalación (una superficie cilíndrica) y en ocasiones de la altura. Se aplican los mismos criterios que se consideran en edificación.

Datos sobre posibilidad de que ocurra un terremoto y su cuantificación a efectos de estos estudios. Su acción se transforma en una carga horizontal, uniformemente repartida en toda la instalación y aplicada en los ejes principales. Su valor es función del grado sísmico en la zona del emplazamiento y se traduce en "n” veces la aceleración de la gravedad (g). Las estructuras y conexión a los equipos inducen simultáneamente en el sistema movimientos externos mayores que los existentes cuando este fenómeno no se produce.

Valor del asentamiento previsto para los diferentes equipos e instalaciones en función de la naturaleza del terreno y el dimensionado de sus cimentaciones. Datos sobre: asentamiento en prueba hidráulica, rebote, asentamiento instantáneo en operación y asentamiento diferido en el tiempo. Dependiendo de los valores concretos para cada una de las situaciones puede ser necesario: realizar la prueba con las tuberías desconectadas de los equipos, disponer soportes regulables en altura, proporcionar cierta contrapendiente en la instalación, etc..

Planos de los distintos equipos donde figuren sus dimensiones y elementos soporte con indicación de puntos fijos y deslizantes, así como tamaño y naturaleza de las conexiones con las tuberías y limitación de esfuerzos a imponer sobre sus tubuladuras, si de alguna forma estuviesen limitadas.

Lista de líneas con datos relativos a su operación, a su diseño, a la posible variación de su operación y/o cualquier circunstancia especial, que nos permitan establecer, junto a otras consideraciones, la situación más desfavorable para la instalación. En estos últimos, de variación o especiales, es necesario saber si su ocurrencia es durante un tiempo inferior a 50 horas al año o, siendo superior a este, es inferior a 500 horas al año, o es superior.

• ELABORACIÓN

Los estudios de flexibilidad se acometen generalmente con el auxilio de esquemas de las líneas correspondientes, elaborados por el Grupo de Diseño.

Antes de iniciarlos es preciso determinar las solicitaciones internas y las externas. Cargas térmicas: temperatura propia, movimiento en tubuladuras de equipos, asentamientos,. . Cargas sostenidas: presión interna, peso propio,.. Cargas ocasionales: viento, terremoto, descarga de válvulas de seguridad,.

Seguidamente es necesario hacer las oportunas consideraciones particulares según las características del sistema a analizar  y seleccionar el oportuno procedimiento de validación . Es necesario destacar que los estudios de flexibilidad no tiene por objeto analizar la realidad de una instalación determinada en todas sus hipótesis de funcionamiento sino confirmar su integridad mecánica durante su vida operativa. A tal fin, el sistema estudiado no tiene porqué corresponder exactamente con la realidad sino que basta sea más desfavorable. La verdadera especialidad se consigue cuando se es capaz de concretar en un modelo sencillo y envolvente, las múltiples situaciones reales, de forma que validando este se validen todas ellas.

De las consideraciones realizadas puede deducirse la necesidad de verificar formalmente la validez del sistema mediante el empleo de procesos informáticos. En ocasiones es el propio Cliente quien acota el ámbito de los estudios formales estableciendo criterios en base al tamaño de las tuberías y/o la temperatura de las mismas.

Después de haber hecho las consideraciones más convenientes para decidir sobre la oportunidad del diseño, aportando si fuese preciso soluciones a aquellos sistemas no flexibles , y antes de validarlo, es preciso evaluar acción sobre los equipos, consiguiendo su aceptación, y garantizar la estanqueidad de las bridas informando, así mismo, de los esfuerzos impuestos sobre estructuras y plataformas.

Los conceptos y formulaciones básicas relativas a la flexibilidad se encuentran recogidas en el párrafo 319 del Código ASME B31.3. 

Usuarios finales

Los usuarios últimos de los resultados de los estudios de flexibilidad son:

• Dentro del propio Departamento, el grupo de Diseño por cuanto que valida definitivamente sus trazados, con las modificaciones que haya sido necesario realizar, y el de Soportes a quien se le imponen las restricciones o libertades que ha de proporcionar al sistema.
• Departamento de Calderería y fabricantes en cuanto a acciones en sus equipos
• Departamento de Estructuras por las fuerzas que sobre ellas pueden imponerse