4.flange seminar2012 spanish

El problema obvio son las fugas que ocurren en alguna etapa

Miremos las estadísticas

Bridas – Los ProblemasBridas – Los Problemas, Selección y Consideraciones de Diseño

3/11/2013 1

Bridas – Los Problemas


Miremos las estadísticas Miren este 2%

Claramente las fugas son un serio problema para la industria

3/11/2013 2

Bridas – Los Problemas


Miremos las estadísticas

Claramente las fugas son un serio problema para la industria

Por eso, es lógico que comencemos con las razones por las cuales

Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren lasFugas

Por eso, es lógico que comencemos con las razones por las cualeslas fugas ocurren

3/11/2013 3


Primero observemos los componentes que forman parte del sistema de una bridaEstos son todos los componentes del sistema de la brida

El único propósito de los pernos es el de mantener apretado el empaque

Brida

Empaque

Pernos

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Primero observemos los componentes que forman parte del sistema de una brida

Estos son todos los componentes del sistema de la brida

El único propósito de los pernos es el de mantener el apriete del empaque

Aquí está la fuerza de apriete del empaque en la brida superiorAquí está la fuerza de apriete del empaque en la brida superior

3/11/2013 5


Primero miramos los componentes que hacen parte del sistema de una brida

Estos son todos los componentes del sistema de la brida

El único propósito de los pernos es el de mantener el apriete del empaque

Aquí está la fuerza de apriete del empaque en la brida superior

El perno provee el apriete en el empaque

Aquí está la fuerza de apriete del empaque en la brida superior

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El perno provee el apriete en el empaque

La presión interna da el aumento a las otras fuerzas

Ahora hay 3 fuerzas actuando en la brida

Ahora balanceamos las 3 fuerzas en la brida con una ecuación simple

2 hacia arriba y 1 hacia abajo

P

Fuerza debidaal empaque

Fuerza debidaal perno

Fuerza debidaa la presión

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El perno debe balancear las fuerzas debidas al empaque y a la presión

Esto da lugar a nuestra primera ecuación

P




Fuerza debida al perno = Fuerza debida al empaque + Fuerza debida a la presión

Reorganizando la ecuación:

3/11/2013 8



El perno debe balancear las fuerzas debidas al empaque y a la presión

Esto da lugar a nuestra primera ecuación

Si Fuerza debida al Perno = Fuerza debida a la presión : No existeapriete en el empaque

P




Fuerza debida al perno = Fuerza debida al empaque + Fuerza debida a la presión


Fuerza debida al empaque = Fuerza debida al perno - Fuerza debida a la presión

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Si Fuerza debida al Perno = Fuerza debida a la presión : No existeapriete en el empaque

La brida suelta el empaque - ¡ocurre una fuga!

Observemos de cerca al empaque entre las bridas

P






3/11/2013 10


Observemos de cerca al empaque entre las bridas

El perno actúa como una bisagra – las bridas rotan desde el perno y debido a las fuerzas de presión

Pueden ocurrir fugas

La Ecuación Se Ajusta para Tener en Cuenta la Rotación


3/11/2013 11

La Ecuación Se Ajusta para Tener en Cuenta la Rotación

Cada componente de la ecuación reduce el apriete en el empaque

Éste es un punto extremadamente importante

Ahora consideramos qué es requerido por el empaque

Consideremos el Apriete Residual del Empaque


- Rotación3/11/2013 12


Pernos apretados

Reducción de la fuerza por la presión

Fuerza del Perno

- Fuerza de la presión

- Rotación de la brida = Fuerza final del empaque

¿Cuál debe ser la fuerza residual?

Fuerza del empaque

Reducción de la fuerza por la presión

Reducción de la fuerza por la rotación de la bridaFuerza final o residual del empaque

3/11/2013 13


Pernos apretados

Fuerza del Perno

- Fuerza de la presión

- Rotación de la brida = Fuerza final del empaque

¿Cuál debe ser la fuerza residual?

Acerquémonos a la fuerza residual usando simple lógica

Fuerza del empaque

Fuerza final o residual del empaque

11/03/2013 14


Considere una brida con el empaque apropiadamente sellado

El fluido bajo presión trata de escapar – sobrepasando el empaque

Pero hay presión o apriete en el empaque

Si la presión en el empaque es menor que la del fluido - habrá fuga

La presión en el empaque debe exceder la del fluido para que sea satisfactorio

P

11/03/2013 15


La presión en el empaque debe exceder la del fluido para que sea satisfactorio

Utilizamos un factor (del código) ‘m’ mayor que 1.0

Entonces la presión residual en el empaque es : m x P

Hasta ahora hemos considerado los problemas Mecánicos de las fugas

P

m x P3/11/2013 16

Hasta Ahora Hemos Considerado los Problemas Mecánicos de las Fugas

Los problemas difíciles son de naturaleza térmica

Consideremos qué pasa cuando una brida está más caliente que la otra‘Camina’ sobre el empaque haciendo que éste se degrade

Éste es un problema particularmente difícil en intercambiadores de calor

Consideremos otro problema mecánico – momento externo

calor

11/03/2013 17

Hasta Ahora Hemos Considerado los Problemas Mecánicos de las Fugas

Consideremos otro problema mecánico – momento externo

Puede ocurrir rotación de la brida

La ruta para posibles fugas es obvia

El empaque se carga de manera desigual – las reglas del código no son precisas

Consideremos las Fuerzas Actuando en la Brida Bajo Presión

Volveremos a las cargas externas más adelante

11/03/2013 18


• Fuerza en la pared interna debida a la presión HD

• Fuerza para apretar el empaque HP

• Fuerza en el espacio anular HT

Estas fuerzas son balanceadas por el perno Wm1

Wm1

• Así Wm1 = HD + HP + HT

HD HT HP

11/03/2013 19


• Así Wm1 = HD + HP + HT

• Wm1 es la fuerza del perno EN OPERACIÓN

Wm1

Consideramos el Momento Actuando en la Brida Bajo Presión

HD HT HP

11/03/2013 20

Consideramos el Momento Actuando en la Brida Bajo Presión

Wm1

Aquí están los brazos de momento – el perno actuando como bisagra

El momento en la brida: MO = HD.hD +HT.hT + HP.hG

Consideramos la Fuerza Actuando en la Brida para el Apriete del Empaque

HD HT HP

hD

hG

hT

11/03/2013 21

Consideramos la Fuerza Actuando en la Brida para el Apriete del Empaque

Wm1

Éste es el aprite inicial en el empaque – y la fuerza del perno Wm2

Wm2

Se consideran dos condiciones – Operación y Asentamiento del empaque

HD HT HP

hD

hG

hT

HG

En Operación Asentamiento del empaque

11/03/2013 22

Wm1 Wm2

Fuerzas producidas por la presión

Fuerzas producidas por el apriete de los pernos

HD HT HP

hD

hG

hT

HG

En Operación Asentamiento del empaque

11/03/2013 23

Wm1 Wm2

Fuerzas producidas por la presión

Fuerzas producidas por el apriete de los pernos

En cualquier caso, hay un Momento actuando en la brida

HD HT HP

hD

hG

hT

HG

En Operación Asentamiento del Empaque

11/03/2013 24

En cualquier caso, hay un Momento actuando en la brida

Haciéndole rotar sobre el perno, actuando como bisagra

Investiguemos las Consecuencias de la Rotación

11/03/2013 25

Investiguemos las Consecuencias de la Rotación

El empaque es apretado únicamente en el borde exterior

Apretado sobre un ancho ‘efectivo’ b

Cuando los pernos son apretados por primera vez se aplica una presión y

La presión y x el área efectiva del empaque nos da la fuerza de apriete inicial

b

Esta área es redundante

apriete inicial

Esta fuerza de apriete inicial es llamada HG

11/03/2013 26

Investiguemos las consecuencias de la rotación

El empaque es apretado únicamente en el borde exterior

Apretado sobre un ancho ‘efectivo’ b

Cuando los pernos son apretados por primera vez se aplica una presión yLa presión y x el área efectiva del empaque nos da la fuerza de apriete inicial

b

apriete inicial


11/03/2013 27

Wm1

En Operación

Volveremos al empaque más adelante

b


Cuando la presión se introduce, el apriete en el empaque se relaja

P

HD HT HP

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El momento en la brida genera tres esfuerzos

SR Esfuerzo Radial

ST Esfuerzo tangente (de arco)

Éste es un análisis de esfuerzos típico de PV Elite

ST Esfuerzo (flexión) del concentrador estándar

Se necesitan estos tres esfuerzos para ambas condiciones; en operación y en el asentamiento del empaque (apriete de pernos)

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Éste es un Análisis de Esfuerzos Típico de PV Elite

Considere la Nueva Función de la Cara Completa del Empaque

Se necesitan estos tres esfuerzos para ambas condiciones; en operación y en el asentamiento del empaque (apriete de pernos)

Este caso de análisis es por ASME VIII, División 1

11/03/2013 30

Consideremos Ahora el Papel de la Junta Completa del Empaque

El empaque se va al diámetro exterior de la brida

A menos que se conozca el mecanismo de fuga – todo puede fallar

La presión hace a estas fuerzas actuar

El perno trata de mantener todo junto

Pero – ¡puede que no sea capaz!

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Esto es lo que pasa – mire cuidadosamente

La brida se abre – ahora hay una ruta de fuga

Aquí está…

En efecto, la fuga ocurre a través de los pernos

¿Cómo podemos prevenir esto?

Debemos comprender las fuerzas actuando en la brida

11/03/2013 32

Debemos Comprender las Fuerzas Actuando en la Brida

Hay dos fuerzas actuando hacia arriba – Presión y fuerzas de balanceo

El perno provee la otra fuerza (equilibrio)

Ahora tome los momentos para obtener la fuerza del perno

F F F

FB = FP . Lx

Esta parte de la brida actúa como cantiliver

FP FB FU

x

L

x

Aumentando x se reduce FB

Esto es importante x

11/03/2013 33

Esta parte de la brida actúa como voladizo

F

Un voladizo más corto es más rígido (más fuerte)

F

Aprendimos una importante lección:

• Aumentar x disminuye la carga de los pernos

• Aumentar x hace la brida más fuerte

• El levantamiento de la brida se disminuye

La REGLA DE ORO:

FB

x

FB

x

11/03/2013 34

La REGLA DE ORO:

F

SIEMPRE haga a x más grande que a y

En otras palabras: mantenga los pernos cerca del diámetro interno de la brida

Consideremos el caso de una brida rectangular

Esta es una brida rectangular típica

FB

xy

11/03/2013 35

Ésta Es una Brida Rectangular Típica

Considere la sección transversal, aumentada aquí

Suponga el empaque es delgado, así. Aquí esta el perno

Este lado de la brida girará así

Para resolver el problema, necesita un empaque que complete la cara

Ya revisamos los problemas, ahora revisemos el empaque

11/03/2013 36

Ahora Estudiemos el Empaque y sus Propiedades

Suponga que el empaque es perfectamente elástico

En servicio las bridas se separan, por ejemplo cuando se presurizan

El empaque se expande – perdiendo algo de apriete – de carga

Hay una relación entre expansión y apriete

Las fuerzas de apriete y expansión se pueden ver en una gráfica

Expansión

11/03/2013 37

La fuerza de apriete y la expansión se pueden ver en una gráfica

Esta línea representa el apriete del empaque vs el espesor

Si el empaque se expande (se hace más grueso), note que pasa

La fuerza del empaque se reduce

La fuerza del perno vs. su estiramiento también se puede dibujar en esta gráfica

A medida que el perno se estira, la fuerza para estirar aumenta

Ahora podemos ver la relación que hay entre el empaque y los pernos

Fuerza

Espesor del empaque - Expansión

Desde aquí

Hasta aquí

A medida que el perno se estira, la fuerza para estirar aumenta

Estiramiento del perno11/03/2013 38

Primero, necesitamos la rigidez del empaque y los pernos

KG = Rigidez del empaque lbf/in or N/mm

KB = Rigidez de los pernos lbf/in or N/mm

La rigidez representa la pendiente (tangente) de la gráfica

Ahora podemos ver la relación que hay entre el empaque y los pernos

Fuerza

Estiramiento o contracción

KB KG

Compresión del Empaque

Estiramiento del perno

Aumento de la fuerza

3/11/2013 39

Comencemos viendo que pasa con la fuerza residual del empaque HP

Aplique una fuerza extra – el empaque no se comprime más ∆F

Estamos listos para investigar la relación que hay entre el empaque y el perno

KB KG

Hp

Fuerza


Compresión del empaque

11/03/2013 40

Estamos listos para investigar la relación que hay entre el empaque y el perno

Como ya hemos aplicado la fuerza de la presión H



Sin embargo, la

KB KG

Hp

∆FFuerza



Sin embargo, la fuerza del perno aumenta

11/03/2013 41

Estamos listos para investigar la relación que hay entre el empaque y el pernoPodemos Calcular ∆F en términos de y, ∆tG y H

Como ya hemos aplicado la fuerza de la presión H



Sin embargo, la

KB KG

Hp

∆FFuerza



H

Sin embargo, la fuerza del perno aumenta

3/11/2013 42

Podemos Calcular ∆F en términos de y, ∆tG y H

H = ∆F + y

= ∆F + ∆tG.KB (por triángulos similares)

∆F = ∆tG.KG

Eliminando ∆tG de la ecuación

∆F =H

K

KB KG

Hp

∆F

∆tG

Fuerza



HY

∆F =

1 +KB

KG

11/03/2013 43

Podemos calcular ∆F en términos de y, ∆tG y H

H = ∆F + y

= ∆F + ∆tG.KB (de triángulos similares)

∆F = ∆tG.KG

Eliminando ∆tG de la ecuación

∆F =H

K

Ecuación en Términos de la Elasticidad del Perno y el Empaque

∆F =H

1 +KB

KG

∆F =

1 +KB

KG

11/03/2013 44

Ecuación en Términos de la Elasticidad del Perno y el Empaque

Convirtiendo rigidez en elasticidad y estiramiento, generalmente:

K = Módulo Elástico x Área del componente

Longitud Original= E . A

L

∆F =H

1 +KB

KG

Organizando los términos utilizados en la ecuación:

∆F =H

1 +AB.EB.tG

AG.EG.L

Longitud Original L

Finalmente:

∆F =H

1 +AB.EB.tG

AG.EG.L

11/03/2013 45


∆F =H

1 +AB.EB.tG

AG.EG.L

H = Fuerza debida a la presión interna

AB = Área total de los pernos

EB = Módulo elástico de los pernos

L = Longitud de los pernos

AG = Área del empaque (área efectiva)

EG = Módulo elástico del empaque

tG = Espesor del empaqueKB KG

Hp

∆FFuerza



H

11/03/2013 46


∆F =H

1 +AB.EB.tG

AG.EG.L

∆F es la fuerza de relajamiento del empaque

Cuando ∆F alcanza H, el empaque se reduce a su estado residual

Considere las propiedades del empaque

KB KG

Hp

∆FFuerza



H

11/03/2013 47

Considere las Propiedades del Empaque

Esta línea recta asume que el empaque obedece a la Ley de Hook

Esto es cierto para todos los empaques metálicos, pero no para materiales orgánicos/sintéticos

Así es como los materiales se aprietan y relajan

KB KG

Hp

∆FFuerza



H

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Considere las Propiedades del Empaque

Esta línea recta asume que el empaque obedece a la Ley de Hook

Verdad para todos los empaques metálicos, pero no para materiales orgánicos/sintéticos

Así es como los materiales se aprietan y relajan

Esto hace el análisis mucho más complicado

Volvamos a los Problemas que Pueden Causar Fugas

Fuerza

Compresión

11/03/2013 49

Volvamos a los Problemas que Pueden Causar Fugas

� A medida que la presión aumenta, el empaque es liberado de carga

� Apretando los pernos y añadiendo presión – ocurre rotación

� Si una brida está más caliente, el empaque se degrada

� Momentos y fuerzas externas pueden aflojar el empaque

� Generalmente el empaque no obedece la Ley de Hook

Antes de Ver la Solución – Consideremos Qué Hace el Código

Fuerza

Compresión

11/03/2013 50

Antes de Ver la Solución – Consideremos Qué Hace el Código

Consideramos ASME Sección VIII, División 1 como ejemplo

El código ajusta la carga inicial de los pernos alrededor de 25 000 psi / 172 MPa

Después que se introduce la presión, el empaque se relaja hasta aquí

Sin embargo, la experiencia muestra que la brida tendrá fugas

¿Cuál es la solución?

El ajustador aprieta los pernos hasta aquí (50000 psi/344 MPa)

KB KG

Hp

∆FFuerza

Estiramiento del Perno

Compresión del Empaque

H

Wm2

11/03/2013 51

Ahora el empaque se relaja hasta aquí

En vez que sea aquí, con la menor carga del perno

Esta es la ÚNICA forma de prevenir la probabilidad de fuga

Manejando fuerzas y momentos externosEl ajustador aprieta los pernos hasta aquí (50000 psi/344 MPa)

KB KG

Hp

∆FFuerza

Estiramiento del Perno


H

Wm2

FBOLT

11/03/2013 52

Manejando Fuerzas y Momentos Externos

Fuerza Externa , y momento externo

La fuerza y el momento se convierten en una presión equivalente

11/03/2013 53

Manejando Fuerzas y Momentos Externos

Fuerza Externa , y momento externo

La fuerza y el momento se convierten en una presión equivalente

F

MLa ecuación de conversión se conoce como Ecuación Kellogg para F y M

Comenzamos con el Empaque

La derivada de esta ecuación es instructiva

11/03/2013 54


b es el ancho efectivo del emapque

G es el diámetro efectivo del empaqueG es el diámetro efectivo del empaque

Fuerza en el empaque debida a la presión interna equivalente Pe

F =π.G2.Pe

4

Así, la presión equivalente debida a la fuerza externa F es

Para el momento M comenzamos con el módulo de la sección del empaque Z

bG

Así, la presión equivalente debida a la fuerza externa F es

Pe =π.G2

4.F

11/03/2013 55


Z = π.G2.b4

Para el momento M comenzamos con el módulo de la sección del empaque Z

Ahora podemos encontrar el esfuerzo S en el empaque debida al momento M

S =M

Z=

4M

π.G2.bEl esfuerzo S debido a la presión equivalente P

La ecuación de Kellog final para la presión equivalente es:

bG

El esfuerzo S debido a la presión equivalente Pe

S =Fuerza de Pe

Área del empaque

=0.25. π.G2

π.G.b

Igualando las dos ecuaciones para S, finalmente tenemos Pe

16.M

π.G3Pe =

11/03/2013 56

La ecuación de Kellog final para la presión equivalente es:

16.M

π.G3+Pe =

π.G2

4.F

Esto simplemente se suma a la presión de diseño P

Hemos discutido brevemente el diseño de bridas por ASME

Nuestra atención ahora se dirige a bridas estándar

Bridas Estándar B16.5 y B16.47 se Pueden Comprar

11/03/2013 57

Bridas Estándar B16.5 y B16.47 se Pueden Comprar

Esto es lo que ASME División 1 dice acerca de las bridas UG-11

Y en la Tabla U-3 tenemos la referencia a estos estándares

El código no requiere cálculos de bridas estándar

Y en la Tabla U-3 tenemos la referencia a estos estándares

11/03/2013 58

Bridas Estándar B16.5 y B16.47 Se Pueden Comprar

Esto es lo que ASME Division 1 dice acerca de las bridas UG-11

El código no requiere cálculos de bridas estándar

Si analizamos una brida estándar, ¡puede fallar! ¿Porqué?

B16.5 no surgió de ningún análisis

Fue el resultado de los fabricantes creando un estándar bajo el auspicio del comité de B16.5 años atrás

Las Ecuaciones para Bridas en ASME Fueron Introducidas en 1937

auspicio del comité de B16.5 años atrás

11/03/2013 59

Las Ecuaciones para Bridas en ASME Fueron Introducidas en 1937¿Recuerdan esto?

El Acercamiento Moderno es por Análisis por Elemento Finito

Las fugas ocurren en un número pequeño de bridas

¿Qué intentos se han hecho para abordar este problema?11/03/2013 60

El Acercamiento Moderno Es por Análisis por Elemento Finito

Compañías como Lannewehr & Thompson & Co KG han escrito software “Flange Valid” que considera todos los parámetros mecánicos que definen una brida – by kind permission

La simulación de la condición de servicio actual se puede analizar utilizando este método

Éste es un modelo FEA sencillo

Nótese la Técnica de Enmallado

Éste es un modelo FEA sencillo

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Nótese la Técnica de EnmalladoAhora Viene el Inconveniente del Ensamble de las Bridas

11/03/2013 62

Ahora Viene el Inconveniente del Ensamble de las Bridas

El personal que ensambla las bridas requiere mucha experiencia

El personal que solda debe ser calificado como alguien que produce soldaduras sin defectos

Compañías responsables también califican a sus ensambladores de bridas

Esto se puede hacer con un aparato estándar que puede ser

Aquí Está Dicho Aparato

Esto se puede hacer con un aparato estándar que puede ser utilizado para permitir a los ajustadores demostrar su habilidad

11/03/2013 63

Aquí Está Dicho AparatoLas Bridas Aún Deben Cumplir con las Reglas de los Códigos

3/11/2013 64

Las Bridas Aún Deben Cumplir con las Reglas de los Códigos

Los cálculos son tediosos Sin embargo en la computadora…….

PV Elite hace del diseño de bridas algo muy simple

Todas las dimensiones se pueden ingresar en minutos para obtener resultados

Cambios se pueden hacer en el camino

Aquí está la Pantalla de PV Elite con Todo lo que Necesita

11/03/2013 65

Aquí está la Pantalla de PV Elite con Todo lo que NecesitaEl Espesor de Brida Requerido Está Disponible Instantáneamente

11/03/2013 66

El Espesor de Brida Requerido Está Disponible Instantáneamente Puede Controlar la Rotación de la Brida a los Límites del Código

3/11/2013 67

Puede Controlar la Rotación de la Brida a los Límites del CódigoPuede Agregar Fuerzas y Momentos Externos

3/11/2013 68

Puede Agregar Fuerzas y Momentos ExternosEsto Ha Sido una Discusión Breve en Bridas

3/11/2013 69

Esto Ha Sido una Discusión Breve en Bridas

Muchas gracias por su atención.

¿Preguntas?

11/03/2013 70

4.flange seminar2012 spanish

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