―anÁlisis de los esfuerzos en las silletas de un

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCO

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―ANÁLISIS DE LOS ESFUERZOS EN LAS SILLETAS DE UN

RECIPIENTE HORIZONTAL, UTILIZADO EN LA INDUSTRIA, MEDIANTE

EXTENSOMETRÍA‖

TESIS PROFESIONAL PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO MECÁNICO

PRESENTA;

CORRALCO HERNÁNDEZ ROSENDO

ASESORES: M en C. Ricardo Sánchez Martínez.

M en C. Ricardo Cortez Olivera.

México, Distrito Federal, Septiembre, 2015.


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AGRADECIMIENTOS

Gracias a Dios: Por permitirme llegar hasta este momento tan importante y así

lograr una de mis tan anheladas metas de mi vida.

Gracias a mi Madre: CAMILA HERNANDEZ AHUACATITLA, Por su amor,

comprensión y apoyo incondicional, gracias por guiarme por el camino del bien y

de la prosperidad dándome una educación que me sirva como herramienta

para poder salir adelante y ser así una persona de bien para la sociedad.

Muchas Gracias mama por todo ese apoyo que sin dudarlo siempre me diste ya

que en tu caso, desempeñar el papel de papá y mamá al mismo tiempo no fue

nada fácil, sé que mi papa desde el cielo siempre estuvo conmigo apoyándome

para que me convirtiera en un ejemplo para la familia.

Gracias a mi Familia: Por todo su apoyo, consejos y atenciones conmigo, así

como su paciencia y esperanzas puestas en mí, para culminar esta etapa de mi

vida profesional a todos y cada uno de ustedes gracias.

Gracias a mis Asesores: Por todo su apoyo, opiniones y atenciones conmigo, así

como su paciencia para que yo pudiera culminar satisfactoriamente esta tesis

para poder así, cerrar una etapa más que un alumno pudiera cumplir, muchas

gracias ingenieros: Ricardo Cortez Olivera y Ricardo Sánchez Martínez.


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ÍNDICE GENERAL

OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................................................ 1

OBJETIVOS ESPECIFICOS ................................................................................................................................ 1

CAPÍTULO I

MARCO TEÓRICO ..................................................................................................................................................... 2

1.1. ANTECEDENTES HISTORICOS. ................................................................................................................. 3

1.2. ¿QUE ES EL METANOL? ........................................................................................................................... 4

1.2.1. PRODUCCIÓN DE METANOL. ............................................................................................................. 6

1.2.2. USOS DEL METANOL. ............................................................................................................................ 7

1.2.3. PRODUCTOS QUIMICOS INTERMEDIOS. ............................................................................................ 8

1.2.4. APLICACIONES COMO COMBUSTIBLE. ............................................................................................. 9

1.2.5. USOS DE EMERGENCIA DEL METANOL. ............................................................................................. 9

1.2.6. ROMBO DE SEGURIDAD (METANOL). .............................................................................................. 10

1.2.7. HOJA DE SEGURIDAD (METANOL). .................................................................................................. 11

1.3. RECIPIENTES A PRESIÓN. ....................................................................................................................... 15

1.3.1. TIPOS DE RECIPIENTES. ....................................................................................................................... 15

1.3.2. DEFINICIÓN DE CONCEPTOS DE RECIPIENTES A PRESIÓN. .......................................................... 17

1.4. HISTORIA DEL CÓDIGO ASME. ............................................................................................................ 19

1.4.1. CLASIFICACIÓN DEL CÓDIGO A.S.M.E. .......................................................................................... 20

1.4.2. ANÁLISIS DE LA SECCIÓN VIII, DEL CÓDIGO ASME. ..................................................................... 21

1.4.2.1. LIMITACIONES DE LA DIVISIÓN I. ................................................................................................... 23

1.4. NORMAS PARA EL DISEÑO DE UN RECIPIENTE A PRESIÓN. ............................................................. 24

1.4.1. NORMAS DE CALIDAD ―ISO‖. ........................................................................................................... 25

1.5. SELECCIÓN DE MATERIALES PARA RECIPIENTES A PRESIÓN. .......................................................... 27

1.5.2. ESPECIFICACIÓN DE LOS ACEROS. ................................................................................................. 28

1.5.3. CLASES DE MATERIALES. .................................................................................................................... 28

CAPÍTULO II

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Y CÁLCULO DEL RECIPIENTE A PRESIÓN. ......................................................... 30

2.1. FILOSOFÍA DE DISEÑO. .......................................................................................................................... 31

2.1.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA. ............................................................................................................ 31

2.2. REQUERIMIENTOS PARA EL DISEÑO. ................................................................................................... 32

2.3. SECCIÓN CILINDRICA (CUERPO). ....................................................................................................... 33

2.3.1. CÁLCULO DE LA SECCIÓN CILINDRICA (CUERPO). ..................................................................... 34

2.4. CABEZAS DEL TANQUE (TAPAS). .......................................................................................................... 35

2.4.1. CÁLCULO DE LAS CABEZAS (TAPAS). .............................................................................................. 39

2.5. CÁLCULO DE LA PRESION DE PRUEBA (HIDROSTÁTICA). ................................................................ 40

2.6. CÁLCULO DEL VOLUMEN DEL RECIPIENTE........................................................................................ 40

2.6.1. CÁLCULO DEL VOLUMEN DE LAS CABEZAS (TAPAS). .................................................................. 40

2.6.2. CÁLCULO DEL VOLUMEN DE LA SECCIÓN CILINDRICA (CUERPO). ......................................... 42


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2.7. CÁLCULO DE LA LONGITUD TOTAL DEL RECIPIENTE (CÁPSULA). ................................................... 43

2.8. CÁLCULO DEL PESO DEL RECIPIENTE (VACIO). ................................................................................ 44

2.8.1. CÁLCULO DEL PESO DE LAS CABEZAS (TAPAS). ............................................................................ 44

2.8.2. CÁLCULO DEL PESO DE LA SECCIÓN CILINDRICA (CUERPO). ................................................... 45

2.9. CÁLCULO DEL PESO DEL RECIPIENTE (CON AGUA). ....................................................................... 47

2.10. ANILLOS ATIESADORES. ....................................................................................................................... 48

2.10.1. CÁLCULO DEL ANILLO ATIESADOR................................................................................................ 49

2.10.1.1. CÁLCULO DEL ANCHO EFICAZ. .................................................................................................. 50

2.10.1.2. CÁLCULO DE LOS MOMENTOS DE INERCIA (Ig). ..................................................................... 51

2.10.1.3. CÁLCULO DEL EJE NEUTRO DEL ANILLO. ................................................................................... 51

2.10.1.4. MOMENTO DE INERCIA DEL ANILLO. ......................................................................................... 52

2.10.1.5. CÁLCULO DE LA PRESIÓN EXTERNA DE TRABAJO. .................................................................. 55

2.11. DISEÑO Y CÁLCULO DE SOPORTES (SILLETAS). ............................................................................... 55

2.11.1. CARGAS A CONSIDERAR. ............................................................................................................... 56

2.11.2. CARACTERÍSTICAS Y DIMENSIONES DE LAS SILLETAS. ................................................................. 57

2.11.2.1. ÁNGULO DE AGARRE O CONTACTO. ....................................................................................... 59

2.11.3. ESFUERZOS. ........................................................................................................................................ 59

2.11.3.1. ESFUERZO NORMAL O AXIAL. ...................................................................................................... 60

2.11.3.2. ESFUERZO TANGENCIAL O CORTANTE. ...................................................................................... 61

2.11.3.3. DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS EN EL ESPACIO. .......................................................................... 62

2.11.3.4. CONCENTRACIÓN DE ESFUERZOS. ............................................................................................. 63

2.11.3.5. IMPORTANCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE ESFUERZOS. ...................................................... 65

2.11.3.6. ESFUERZOS RESIDUALES. ............................................................................................................... 65

2.11.4. ESFUERZOS PRESENTES EN LAS SILLETAS. ........................................................................................ 66

2.11.4.1. VALORES DE LA CONSTANTE ―K‖. ............................................................................................... 68

2.11.4.2. ESFUERZOS LONGITUDINALES POR FLEXIÓN. ............................................................................. 71

2.11.4.2.1. CÁLCULO DE LOS ESFUERZOS LONGITUDINALES POR FLEXIÓN. ......................................... 72

2.11.4.3. ESFUERZOS DE CORTE TANGENCIALES....................................................................................... 74

2.11.4.3.1. CÁLCULO DE LOS ESFUERZOS DE CORTE TANGENCIALES................................................... 75

2.11.4.4. ESFUERZOS CIRCUNFERENCIALES. .............................................................................................. 77

2.11.4.4.1. CÁLCULO DE LOS ESFUERZOS CIRCUNFERENCIALES. .......................................................... 79

2.11.4.5. CÁLCULO DEL ESFUERZO MÁXIMO COMBINADO. .................................................................. 81

2.11.5. ÁREA EFECTIVA DE LA PLACA DE LA SILLETA. .............................................................................. 83

2.12. EXPANCIONES Y CONTRACCIONES EN EL RECIPIENTE. ................................................................. 85

2.13. OREJAS DE IZAJE. ................................................................................................................................. 88

2.13.1. CÁLCULO DE OREJAS DE IZAJE. ..................................................................................................... 88

2.14. BOQUILLAS EN EL RECIPIENTE. ........................................................................................................... 92

2.14.1. CÁLCULO DE BOQUILLAS EN EL RECIPIENTE. ............................................................................... 93

2.14.1.1. CÁLCULO DE COPLE ¾‖ NPT. ...................................................................................................... 94


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2.14.1.2. CÁLCULO DE COPLE 1‖ NPT. ....................................................................................................... 97

2.15. REGISTRO PARA ENTRADA HOMBRE. ............................................................................................... 99

2.15.1. CÁLCULO DE REGISTRO PARA ENTRADA HOMBRE. ................................................................. 100

2.15.2. CÁLCULO DE BRIDA PARA EL REGISTRO. ................................................................................... 105

2.15.2.1. DESARROLLO PARA CÁLCULO DEL ESPESOR DE LA TAPA. .................................................. 111

2.15.2.2. CÁLCULO DEL ESPESOR DE LA TAPA PARA EL REGISTRO. .................................................... 113

2.16. SOLDADURA EN EL RECIPIENTE. ....................................................................................................... 116

2.16.1. SÍMBOLOS GRÁFICOS EN LA REPRESENTACIÓN DE SOLDADURA. ......................................... 118

2.17. ACCESORIOS EN EL RECIPIENTE. ..................................................................................................... 121

2.17.1. INDICADOR DE NIVEL TIPO REGLETA. .......................................................................................... 121

2.17.2. VÁLVULA DE MÁXIMO LLENADO. ................................................................................................ 122

2.17.3. MANÓMETRO. ................................................................................................................................. 122

2.17.4. MEDIDOR DE TEMPERATURA. ........................................................................................................ 123

2.17.5. VÁLVULA DE EXCESO DE FLUJO................................................................................................... 123

2.17.6. VÁLVULA DE NO RETROCESO. ..................................................................................................... 124

2.17.7. VÁLVULA DE LLENADO. ................................................................................................................. 124

2.17.8. VÁLVULA DE COMPUERTA (SERVICIO). ...................................................................................... 125

2.17.9. VÁLVULAS DE SEGURIDAD. ........................................................................................................... 126

CAPÍTULO III

ANÁLISIS DE LAS SILLETAS POR EXTENSOMETRIA. ............................................................................................. 127

3.1. EXTENSOMETRÍA ................................................................................................................................... 128

3.2. PUENTE DE WHEATSTONE .................................................................................................................... 129

3.2.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL PUENTE DE WHEATSTONE. ............................................ 130

3.3. GALGAS EXTENSOMÉTRICAS. ............................................................................................................ 131

3.3.1. CONFIGURACIÓN DE LAS GALGAS EXTENSOMÉTRICAS............................................................ 131

3.3.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA GALGA EXTENSOMÉTRICA. ...................................... 132

3.4. TIPOS DE GALGAS EXTENSOMÉTRICAS Y SU APLICACIÓN. ........................................................... 135

3.4.1. CARACTERÍSTICAS DEL SENSOR (GALGA). ................................................................................... 137

3.5. MÉTODO PARA PEGAR Y SOLDAR UNA GALGA EXTENSOMÉTRICA. .......................................... 139

3.5.1. DESENGRASADO .............................................................................................................................. 139

3.5.2. LIJADO DE SUPERFICIE ..................................................................................................................... 140

3.5.3. TRAZO DE EJES .................................................................................................................................. 141

3.5.4. ACONDICIONAMIENTO DE SUPERFICIE ........................................................................................ 141

3.5.5. NEUTRALIZADO .................................................................................................................................. 142

3.5.6. PREPARACIÓN Y PEGADO DE LA GALGA ................................................................................... 143

3.5.6.1. MANEJO Y PREPARACIÓN ........................................................................................................... 143

3.5.6.2. PEGADO DE LA GALGA ............................................................................................................... 145

3.5.7. SOLDADO DE TERMINALES .............................................................................................................. 147

3.6. APLICACIÓN DE LAS CARGAS EN LAS SILLETAS. ............................................................................ 151


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3.6.1. LECTURAS Y RESULTADOS DE LAS GALGAS EXTENSOMETRICAS. .............................................. 154

3.6.1.1. GALGA EXTENSOMETRICA 1 y 2. ................................................................................................. 157

3.6.1.2. GALGA EXTENSOMETRICA 3,4 y 5. ............................................................................................. 159

CAPÍTULO IV

ANÁLISIS DE LAS SILLETAS POR MÉTODOS COMPUTACIONALES. .................................................................. 161

4.1. MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO (M.E.F.) .......................................................................................... 162

4.2. ANTECEDENTES HISTORICOS DEL (M.E.F.) ........................................................................................ 163

4.3. FUNDAMENTOS DEL MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO. ................................................................... 165

4.4. MÉTODO COMPUTACIONAL (ANSYS). ............................................................................................. 166

4.4.1. ANÁLISIS DE LAS SILLETAS MEDIANTE EL M.E.F. ............................................................................. 167

CAPÍTULO V

ESTUDIO ECONÓMICO. ....................................................................................................................................... 173

5.1. ESTUDIO DE MERCADO. ..................................................................................................................... 174

5.2. INVERSIÓN. ........................................................................................................................................... 174

5.2.1. TIPOS DE INVERSIÓN. ........................................................................................................................ 174

5.3. COSTO. .................................................................................................................................................. 175

5.3.1. TIPOS DE COSTOS. ............................................................................................................................ 176

5.3.1.1. COSTO DE PRODUCCIÓN. ........................................................................................................... 177

5.3.1.2. COSTO DE COMERCIALIZACIÓN. ............................................................................................... 177

5.3.1.3. COSTO DE ADMINISTRACIÓN. ..................................................................................................... 178

5.3.1.3. COSTO DE FINANCIACIÓN. ......................................................................................................... 178

5.4. PRESUPUESTO........................................................................................................................................ 178

5.4.1. PRESUPUESTO DE RECIPIENTE A PRESIÓN PARA ALMACENAMIENTO DE METANOL. ............. 179

5.4.2. COSTO TOTAL DEL RECIPIENTE. ...................................................................................................... 183

CONCLUSIONES. ......................................................................................................................................... 184

BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................................................................. 186


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ÍNDICE DE FIGURAS.

Figura 1: Metanol CH3OH. ..................................................................................................................... 5 Figura 2: El metanol como materia química intermedia. ............................................................... 8 Figura 3: Rotulo NFPA, Para el metanol. ........................................................................................... 10 Figura 4: Estampados para recipientes a presión. ......................................................................... 21 Figura 5: Materiales para recipientes a presión. ............................................................................. 27 Figura 6: Tanque Horizontal de almacenamiento. ......................................................................... 31 Figura 7: Esfuerzo longitudinal (Junta circunferencial). ................................................................. 33 Figura 8: Esfuerzo circunferencial (Junta longitudinal). ................................................................. 33 Figura 9: Tapa Plana ............................................................................................................................. 35 Figura 10: Tapa Toriesférica. ................................................................................................................ 35 Figura 11: Tapa Semieliptica. .............................................................................................................. 36 Figura 12: Tapa Semiesférica. ............................................................................................................. 36 Figura 13: Tapa 80:10. ........................................................................................................................... 37 Figura 14: Tapa Cónica. ....................................................................................................................... 37 Figura 15: Tapa Toricónica. ................................................................................................................. 38 Figura 16: Tapa Plana con ceja. ........................................................................................................ 38 Figura 17: Tapa Únicamente abombada. ....................................................................................... 38 Figura 18: Esquema para determinar el volumen de las cabezas. ............................................ 40 Figura 19: Volumen del cilindro. ......................................................................................................... 42 Figura 20: Longitud de Capsula del tanque. ................................................................................... 43 Figura 21: Densidad del agua (Temperatura ambiente). ............................................................. 47 Figura 22: Densidad del metanol (Temperatura ambiente). ....................................................... 47 Figura 23: Localización de los anillos atiesadores en el tanque. ................................................. 48 Figura 24: Tipos de anillos. .................................................................................................................... 49 Figura 25: Medidas del perfil (Propuestas). ...................................................................................... 50 Figura 26: Grafica para obtener el valor de ―A‖. ........................................................................... 53 Figura 27: Puntos y Dimensiones en la silleta. .................................................................................. 58 Figura 28: Cuerpo en equilibrio. ......................................................................................................... 59 Figura 29: Fuerzas; Normal y Tangencial. ......................................................................................... 60 Figura 30: Esfuerzo Normal. .................................................................................................................. 61 Figura 31: Esfuerzo Cortante. .............................................................................................................. 62 Figura 32: Esfuerzos en el espacio. ..................................................................................................... 63 Figura 33: Concentración de esfuerzos presentes en una silleta analizados mediante

elemento finito. ...................................................................................................................................... 64 Figura 34: Puntos ubicados en el tanque. ........................................................................................ 66 Figura 35: Valores de la constante ―K‖. ............................................................................................ 68 Figura 36: Valor de la constante ―K6‖. .............................................................................................. 69 Figura 37: Cálculos para los esfuerzos longitudinales por flexión. ............................................... 71 Figura 38: Cálculos para los esfuerzos de corte tangenciales. ................................................... 74 Figura 39: Cálculos para los esfuerzos circunferenciales. ............................................................. 78 Figura 40: Tipo de anillo seleccionado. ............................................................................................ 81 Figura 41: Área efectiva de la placa de la silleta. ......................................................................... 83 Figura 42: Expansión y Contracción en el recipiente. ................................................................... 85 Figura 43: Puntos en el recipiente. ..................................................................................................... 85 Figura 44: Orejas de izaje. .................................................................................................................... 88 Figura 45: Dimensiones de la oreja de izaje. .................................................................................... 89 Figura 46: Boquillas en el recipiente. ................................................................................................. 92 Figura 47: Cople ¾‖ NPT. ...................................................................................................................... 94


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Figura 48: Soldadura de Cople ¾‖ NPT. ............................................................................................ 96 Figura 49: Cople 1‖ NPT. ....................................................................................................................... 97 Figura 50: Soldadura de Cople 1‖ NPT. ............................................................................................. 98 Figura 51: Localización de Registro para entrada hombre. ......................................................... 99 Figura 52: Esquema de boquilla ―Registro para entrada hombre‖. ......................................... 100 Figura 53: Detalles de uniones para tapas planas. ...................................................................... 106 Figura 54: Ancho efectivo del asentamiento del empaque ―b‖. ............................................. 108 Figura 55: Características del empaque. ....................................................................................... 109 Figura 56: Bridas estándar con cara realzada o cara plana. .................................................... 109 Figura 57: Tipos de uniones y eficiencia en soldadura. ............................................................... 117 Figura 58: Standard de localización de los elementos y símbolos de soldadura. ................. 118 Figura 59: Símbolos básicos de soldadura (1). .............................................................................. 119 Figura 60: Símbolos básicos de soldadura (2). .............................................................................. 120 Figura 61: Indicador de nivel. ........................................................................................................... 121 Figura 62: Válvula de máximo llenado. .......................................................................................... 122 Figura 63: Manómetro. ....................................................................................................................... 122 Figura 64: Medidor de temperatura. ............................................................................................... 123 Figura 65: Válvula de exceso de flujo. ............................................................................................ 123 Figura 66: Válvula de no retroceso. ................................................................................................. 124 Figura 67: Válvula de llenado. .......................................................................................................... 124 Figura 68: Válvula de compuerta. ................................................................................................... 125 Figura 69: Válvula de seguridad. ..................................................................................................... 126 Figura 70: Puente de Wheatstone. .................................................................................................. 129 Figura 71: Circuito del Puente de Wheatstone. ............................................................................ 130 Figura 72: Galga Extensométrica. .................................................................................................... 132 Figura 73: Hilo metálico de una galga extensométrica. ............................................................. 133 Figura 74: Tipos de configuraciones de las Galgas. ..................................................................... 136 Figura 75: Diferentes tipos de galgas extensométricas. .............................................................. 137 Figura 76: Desengrasado de la Superficie. .................................................................................... 140 Figura 77: Lijado de la Superficie. .................................................................................................... 140 Figura 78: Trazo de los ejes. ............................................................................................................... 141 Figura 79: Acondicionado. ................................................................................................................ 142 Figura 80: Neutralizado. ..................................................................................................................... 142 Figura 81: Adherencia del extensómetro a la cinta. ................................................................... 143 Figura 82: Colocación del extensómetro en la zona preparada. ............................................ 144 Figura 83: Aplicación del pegamento. ........................................................................................... 144 Figura 84: Capa delgada del catalizador. .................................................................................... 145 Figura 85: Aplicación del pegamento. ........................................................................................... 145 Figura 86: Presión con agua. ............................................................................................................ 146 Figura 87: Presión con el dedo. ........................................................................................................ 146 Figura 88: Despegar la cinta. ............................................................................................................ 147 Figura 89: Recubrimiento con cinta. ............................................................................................... 147 Figura 90: Soldado de terminales. ................................................................................................... 148 Figura 91: Soldado. ............................................................................................................................. 149 Figura 92: Recubrimiento final de la galga. ................................................................................... 149 Figura 93: Montaje de una galga impresa. ................................................................................... 150 Figura 94: Montaje de una galga extensométrica para un solo punto de medición. ......... 150 Figura 95: Montaje de galgas extensométricas en varios puntos de medición .................... 151 Figura 96: Calibración del equipo a ―cero‖. ................................................................................. 151 Figura 97: Colocación de la carga. ................................................................................................ 152 Figura 98: Montaje del dinamómetro. ............................................................................................ 152


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Figura 99: Medición de la deformación. ........................................................................................ 152 Figura 100: Ubicación de los sensores (galgas) en la silleta. ...................................................... 153 Figura 101: Ubicación de los sensores con su sección transversal. ........................................... 154 Figura 102: Grafica, Deformación vs Esfuerzo por extensometria (Sensor 1 y 2). ................... 158 Figura 103: Grafica, Deformación vs Esfuerzo por resistencia de materiales ......................... 158 Figura 104: Grafica, Deformación vs Esfuerzo por extensometria (Sensor 3,4 y 5). ............... 160 Figura 105: Grafica, Deformación vs Esfuerzo por resistencia de materiales ......................... 160 Figura 106: Coordenadas para el trazo inicial de la silleta. ....................................................... 167 Figura 107: Trazo y unión de las coordenadas. ............................................................................. 168 Figura 108: Mallado de la silleta en 3D. .......................................................................................... 168 Figura 109: Vista lateral del mallado de la silleta en 3D. ............................................................. 169 Figura 110: Mallado principal en el soporte del recipiente. ....................................................... 169 Figura 111: Aplicación de cargas en la silleta. ............................................................................. 170 Figura 112: Restricciones de desplazamiento y cargas en la silleta. ........................................ 171 Figura 113: Deformación debida a la carga aplicada. ............................................................. 171 Figura 114: Deformación en los soportes debida a la carga aplicada. ................................. 172 Figura 115: Esfuerzos estructurales en la silleta. ............................................................................. 172

ÍNDICE DE TABLAS.

Tabla 1: Tres alcoholes representativos derivados de los alcanos. ............................................... 6 Tabla 2: Capacidades estimadas de metanol en 2010 (toneladas anuales). .......................... 7 Tabla 3: Requerimientos mínimos de diseño. .................................................................................. 32 Tabla 4: Datos para el cálculo de la sección cilíndrica (Cuerpo). ............................................. 34 Tabla 5: Datos para el cálculo de las cabezas (Tapas). ............................................................... 39 Tabla 6: Datos para el cálculo de la prueba Hidrostática. .......................................................... 40 Tabla 7: Tabla para determinar el área de la cabeza elipsoidal (Semieliptica). .................... 44 Tabla 8: Cálculo de Áreas y secciones para el momento de inercia. ...................................... 51 Tabla 9: Características y dimensiones de las silletas del recipiente.* ....................................... 57 Tabla 10: Valores de K9 y K10. ............................................................................................................ 70 Tabla 11: Datos de la sección cilíndrica (Casco). .......................................................................... 73 Tabla 12: Datos del material ―SA-36‖. ............................................................................................... 84 Tabla 13: Tabla para determinar la longitud mínima de la ranura ―a‖. * .................................. 87 Tabla 14: Especificación del material para boquillas. ................................................................... 93 Tabla 15: Datos de diseño para boquillas. ....................................................................................... 94 Tabla 16: Datos de diseño ―registro para entrada hombre‖. .................................................... 100 Tabla 17: Áreas transversales de las ubicaciones de las galgas. .............................................. 155 Tabla 18: Datos y cálculos obtenidos para deformación (Sensor 1 y 2)*. ............................... 157 Tabla 19: Datos y cálculos obtenidos para esfuerzos (Sensor 1 y 2)*. ...................................... 157 Tabla 20: Datos y cálculos obtenidos para deformación (Sensor 3,4 y 5)*............................. 159 Tabla 21: Datos y cálculos obtenidos para esfuerzos (Sensor 3,4 y 5)*. ................................... 159


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1

OBJETIVO GENERAL

Diseñar un recipiente horizontal de almacenamiento para la industria productora

de METANOL, verificando mediante extensómetria y métodos computacionales

que las ecuaciones propuestas en los códigos de diseño para las silletas del

recipiente permite una distribución adecuada de los esfuerzos.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Diseñar un recipiente horizontal que cumpla los requerimientos establecidos por el

cliente utilizando los códigos de diseño.

Calcular y seleccionar los accesorios del recipiente.

Determinar las dimensiones y forma de las silletas y fabricar las mismas a escala

con el fin de determinar los esfuerzos que se produce al aplicarle carga utilizando

el método de extensómetria.

Por medio del modelado de la silleta en un programa de elemento finito, se

calcularan los esfuerzos que se generan al aplicar esta carga

Realizar un análisis comparativo de los métodos utilizados para determinar los

esfuerzos en las silletas con el fin de comparar los resultados y establecer que tan

confiables son los métodos utilizados.


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CAPÍTULO I

MARCO TEÓRICO


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1.1. ANTECEDENTES HISTORICOS.

Fue utilizado en el proceso de embalsamamiento, pero los antiguos egipcios

utilizaron una mezcla de sustancias, incluyendo metanol, que obtenían mediante

la pirólisis de la madera. Sin embargo, en 1661 Robert Boyle, aisló el metanol puro,

cuando lo produjo a través de la destilación de madera de boj. Más tarde llegó a

ser conocido como el espíritu piroxílico. En 1834, los químicos franceses Jean-

Baptiste Dumas y Eugene Peligot determinaron su [[composición elemenLa

intención era que significara «alcohol preparado a partir de madera», pero tiene

errores de lengua griega: se usa mal la palabra "madera", y un orden erróneo de

las palabras debido a la influencia del idioma francés. El término "metilo" fue

creado alrededor de 1840 por abreviatura de metileno, y después fue utilizado

para describir el alcohol metílico; expresión que la Conferencia Internacional

sobre Nomenclatura Química redujo a «metanol» en 1892.

En 1923 los químicos alemanes Alwin Mittasch y Pier Mathias, que trabajan para

BASF, desarrollan un medio para convertir un gas de síntesis (una mezcla de

monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno) en metanol. La patente

fue presentada el 12 de enero 1926 (referencia no. 1569775). Este proceso utiliza

un catalizador de óxido de cromo y manganeso, y requiere de presiones

extremadamente elevadas que van desde 50 hasta 220 ICI a finales de 1960 con

la tecnología actualmente propiedad de Johnson Matthey, que es un licenciante

líder de tecnología de metanol.

El uso de metanol como combustible de automoción recibió atención durante las

crisis del petróleo de la década de 1970 debido a su disponibilidad, bajo coste, y

los beneficios medioambientales. A mediados de la década de 1990, más de

20 000 "vehículos de combustible flexible" (VCF) capaces de funcionar con

metanol o gasolina se vendieron en Estados Unidos. Además, durante gran parte

de la década de 1980 y principios de los 1990, en los combustibles de gasolina

que se venden en Europa se mezclan pequeños porcentajes de metanol. Los

fabricantes de automóviles dejaron de construir VCFs a metanol a finales de los

años 1990, cambiando su atención a los vehículos propulsados por etanol.

Aunque el programa de VCF a metanol fue un éxito técnico, el aumento del

precio del metanol a mediados y finales de la década de 1990 durante un

período de caída en precios de la gasolina disminuyó el interés en el metanol

como combustible.

http://es.wikipedia.org/wiki/Embalsamamiento

http://es.wikipedia.org/wiki/Pir%C3%B3lisis

http://es.wikipedia.org/wiki/Robert_Boyle

http://es.wikipedia.org/wiki/Buxus

http://es.wikipedia.org/wiki/Jean-Baptiste_Dumas

http://es.wikipedia.org/wiki/Jean-Baptiste_Dumas

http://es.wikipedia.org/wiki/Eugene_Peligot

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Alwin_Mittasch&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Pier_Mathias&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/BASF

http://es.wikipedia.org/wiki/Mon%C3%B3xido_de_carbono

http://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbono

http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Catalizador

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%93xido_de_cromo

http://es.wikipedia.org/wiki/Manganeso


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1.2. ¿QUE ES EL METANOL?

El metanol es un alcohol incoloro, higroscópico y completamente miscible con

agua, pero mucho más ligero (peso específico de 0.9 g/cm³). Es un buen

disolvente, pero muy tóxico e inflamable. Este alcohol de un sólo átomo de

carbono es un disolvente volátil y un combustible ligero.

El metanol, también conocido como alcohol metílico o de madera, es un líquido

orgánico incoloro a una temperatura y una presión normales (NTP: 72 °F y 1

atmósfera). Aunque esta descripción es correcta, es sólo una pequeña parte de

lo que debe saber y comprender alguien que manipule metanol para

transportarlo, almacenarlo y usarlo sin peligro.

El metanol es un material extraordinariamente útil que significa distintas cosas

para distintos usuarios. Para algunos, el metanol es un combustible; para otros, es

un aditivo de combustible, una materia prima para la industria química, un

disolvente, un refrigerante o un componente de anticongelantes. Las

aplicaciones emergentes del metanol incluyen su uso como fuente de protones

para la tecnología directa de celdas de combustible de metanol y como

combustible de turbinas para la generación de energía eléctrica.

Hay cinco consideraciones importantes al manipular el metanol:

1. El metanol es un líquido fácilmente inflamable que arde y a veces estalla

en el aire.

2. El peso molecular del vapor de metanol es marginalmente mayor (más

denso) que el del aire (32 frente a 28 gramos por mol). Como

consecuencia de eso, y dependiendo de las circunstancias de una fuga o

un derrame, el metanol líquido se acumulará y el vapor puede migrar a

espacios cerca del suelo y acumularse en áreas estrechas y bajas. Se

espera que el vapor de metanol, al estar cerca de la flotabilidad neutral,

se disipará inmediatamente de los lugares ventilados. No espere que se

disipe de lugares sin ventilar como alcantarillas y espacios cerrados. Si se

inflama, la llama del vapor de metanol puede retroceder hasta su fuente.

3. En ciertas circunstancias específicas, el vapor de metanol puede estallar

en vez de arder al inflamarse. Los recipientes de metanol están sujetos a

una explosión de vapores en expansión de líquidos en ebullición (BLEVE) al

calentarse externamente.


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4. El metanol es una toxina; la ingestión de una pequeña cantidad (entre

unos 30 y 60 mililitros) puede causar la muerte; se sabe que cantidades

menores causan ceguera irreversible. El metanol se absorbe por la piel y

otros tejidos pasando directamente a la corriente sanguínea.

5. El metanol es totalmente miscible con agua y retiene su inflamabilidad

incluso a concentraciones de agua muy altas. Una solución del 75% de

agua y 25% de metanol en volumen se considera un líquido inflamable.

Esto tiene consecuencias importantes para la lucha contra incendios.

La molécula de metanol contiene un sólo átomo de carbono y es, por lo tanto, el

alcohol más sencillo que puede derivarse de hidrocarburos saturados normales, es

decir, metano (CH4), etano (C2H6) y propano (C3H8). Los alcoholes de dos y tres

átomos de carbono son el etanol y el propanol, respectivamente. Los nombres

químicos de los alcoholes se basan en los nombres de sus correspondientes grupos

de hidrocarburos. Al convertirse en alcoholes, se les agrega una ―l‖ al nombre. Los

alcoholes comunes —el metanol (CH3OH), el etanol (C2H5OH) y el propanol

(C3H7OH)— tienen propiedades físicas y químicas similares, pero peligros de

toxicidad muy diferentes. A medida que aumenta el número de átomos de

carbono que componen las moléculas del alcohol, aumenta la longitud de la

cadena recta de átomos de carbono, aumenta el peso molecular de la molécula

del alcohol, disminuye la temperatura del punto de congelación y aumenta la

temperatura del punto de ebullición.

Figura 1: Metanol CH3OH.

Los alcoholes son estructuralmente similares al agua. Algunas propiedades de los

alcoholes, específicamente del metanol, se asemejan a las propiedades del

agua. Tanto el agua como el metanol son moléculas polares. La tabla 1, indica las

fórmulas estructurales, los nombres científicos, los nombres comunes y las

temperaturas de fusión y ebullición de tres alcoholes representativos.


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Tabla 1: Tres alcoholes representativos derivados de los alcanos.

Si no se manipula bien, el metanol puede poner en peligro la vida. Es inflamable,

tóxico, reactivo con los metales alcalinos y oxidantes fuertes, y 100% miscible en el

agua. Estas propiedades requieren medidas específicas de manipulación y

almacenamiento, según se trata con más detalle en las siguientes secciones.

1.2.1. PRODUCCIÓN DE METANOL.

Los productores de metanol generalmente están ubicados en regiones del

mundo que producen un exceso de gas natural, áreas que extraen grandes

cantidades de carbón, o en países industrializados que pueden tener acceso a

gas natural en grandes cantidades a costes de transporte relativamente bajos.

Las reservas de gas natural están aumentando como consecuencia de las nuevas

tecnologías de perforación y fractura hidráulica, que permiten el desarrollo de

reservas de bajo coste previamente sin reconocer. Estas reservas adicionales,

cuando se añaden a las reservas convencionales, están cambiando la

disponibilidad de gas natural. Esto ha resultado en la construcción de plantas de

procesamiento de gas a líquido en Asia y Oriente Próximo. En los Emiratos Árabes

Unidos, el producto líquido es un queroseno de alta calidad, que se usa como

sustitutivo del combustible de aviación derivado del petróleo.

Otra tendencia del mercado se debe al coste de producción de metanol a partir

de gas natural en comparación con otras fuentes como el carbón. Como es más

económico producir metanol a partir de gas que de carbón, los productores de

carbón a metanol de coste elevado están limitando la producción, en particular

en China, a fin de aprovecharse del menor coste del metanol importado (Arabia

Saudita, Nueva Zelanda, Malasia e Indonesia).

Como muestra la Tabla 2, hay más regiones exportadoras e importadoras y la

producción es menor que la capacidad. Antes de la reciente crisis económica,

Norteamérica exportaba aproximadamente el 33% de lo que producía.

Estructura

molecular

Nombre

científico Nombre común

Punto de

congelación

Punto de

ebullición

CH3OH Metanol Alcohol metílico;

alcohol de madera -97 °C 65 °C

CH3CH2OH Etanol Alcohol etílico;

alcohol de cereales -115 °C 78 °C

(CH3)2CHOH Propanol

(Isopropanol) Alcohol isopropílico -126 °C 97 °C


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El consumo era de algo más de 8 millones de toneladas en 2006, pero bajó

sustancialmente en 2010. Europa Occidental exporta la mayor parte de su

producción; el consumo era de unos 5 millones de toneladas, pero también ha

disminuido. El consumo en Europa Occidental y Norteamérica ha disminuido

como consecuencia de la desaceleración en la nueva construcción y en la

producción de automóviles. El Caribe, el Golfo Pérsico, Sudamérica y África son

exportadores netos y la mayoría proviene de las regiones del Caribe y del Golfo

Pérsico. En 2007 China se convirtió en el mayor productor y consumidor de

metanol en el mundo, con una demanda promedio anual de cerca de 10

millones de toneladas. Esto parece marcar un punto de inflexión en la oferta y la

demanda globales. También marca un punto en el que el precio del metanol

empezó a seguir de cerca el coste del petróleo crudo. El precio del metanol de

310 dólares/tonelada es equivalente aproximadamente al coste de petróleo

crudo de 80 dólares/barril de petróleo equivalente.

Tabla 2: Capacidades estimadas de metanol en 2010 (toneladas anuales).

Región Importación Capacidad

adicional

Capacidad

total Producción Exportación

Caribe 0 0 8.153 7.541 7.012

Oriente/Golfo Pérsico 1 3.2 8.063.2 7.759,2 5.931.2

Sudamérica 0 0.9 4.281 3.567 3.332

África 0 0 1.758 1.475 1.447

Nueva Zelanda 1 0 530 404 267 Norteamérica

(EE. UU. y Canadá) 7.112 0 1.715 1.606 514

Europa Occidental 8.062 0 3.310 3.176 3.119 Asia (Japón, China,

Taiwán y Corea del Sur) 5.427 0 9.931 7.623 206

1.2.2. USOS DEL METANOL.

Los mercados de metanol han cambiado durante el transcurso de los últimos 15

años, a medida que sigue cambiando el uso y las pautas de demanda. Las

realidades económicas, energéticas y medioambientales globales en evolución

continuarán estimulando el mercado de metanol en el futuro.

Durante el primer trimestre de 2008 los precios del petróleo crudo subieron a más

de 140 dólares por barril. Al mismo tiempo, los precios del gas natural (metano), en

Estados Unidos en particular, se quedaron atrás con respecto a los precios del

petróleo crudo. Se ha culpado al uso de cultivos de alimentos para producir

etanol de afectar a la oferta y la demanda de algunos alimentos básicos.


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Estas circunstancias proporcionan un mayor incentivo para usar metanol como

sustituto del etanol como aditivo directo al combustible de motor para reducir las

emisiones de aire, y quizás, con el tiempo, como alternativa de la gasolina en

automóviles. Esto se puede convertir en un factor principal de oferta y demanda

tanto en los países desarrollados como en los países en vías de desarrollo,

particularmente en Asia.

Están surgiendo otras nuevas aplicaciones para el metanol, por ejemplo, motores

de turbinas que usan metanol como combustible, biodiesel y celdas de

combustible de metanol directas. Además, otras aplicaciones como el

tratamiento de aguas residuales usan mayores cantidades de metanol para la

desnitrificación.

Globalmente, la fabricación de formaldehído es responsable de

aproximadamente el 40% de la demanda de metanol para la producción de

formaldehído de urea y resinas de fenol formaldehído, pegamentos y adhesivos.

Estos se usan ampliamente como agentes de unión en tableros de partículas,

madera contrachapada y paneles de madera fibrosa. La demanda de estos

materiales de construcción ha disminuido significativamente debido a un giro

negativo en el mercado de la nueva construcción. En el presente, la distribución

de la demanda de metanol está cambiando de forma radical. Se espera que

esta tendencia continúe durante la década siguiente.

1.2.3. PRODUCTOS QUIMICOS INTERMEDIOS.

El metanol es un bloque fundamental básico de síntesis química y es, por lo tanto,

el punto inicial de derivados primarios, secundarios y terciarios. El uso principal es

la producción de formaldehído, seguida por la producción de ácido acético. La

Figura 2 resume el papel del metanol en la producción de materias primas

químicas intermedias.

Figura 2: El metanol como materia química intermedia.


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1.2.4. APLICACIONES COMO COMBUSTIBLE.

El complemento y el reemplazo, con el tiempo, de los combustibles

convencionales de motor por metanol recibieron una amplia atención durante

las subidas de los precios del petróleo crudo de los años 70. En la década de los

80, también se generó nuevamente interés en las fuentes alternativas de energía

y específicamente en combustibles de motor alternativos.

El metanol fue reconocido en ese momento como un sustitutivo potencial de la

gasolina derivada del petróleo crudo. Durante los años entre el alza de precios de

1970 y el más reciente de 2010, varias agencias y organizaciones han evaluado

los peligros, desafíos y beneficios de usar metanol como combustible para

motores.

Un estudio realizado por la United States Environmental Protection Agency (EPA,

Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos) [63] concluyó que el

metanol es un combustible para motores más seguro que la gasolina. Otros

estudios han concluido que los peligros que presenta el uso de metanol en

motores son mayores que los que presenta la gasolina.

Un factor importante —que con frecuencia no se considera es la proporción de

metanol usado en una mezcla combustible.

Las mezclas de combustible previstas para vehículos van del 5%-15% al 70%-85%

de metanol, no 100% metanol puro. A medida que aumente la disponibilidad del

metanol como combustible para motores, se tendrán que resolver estas

diferencias.

1.2.5. USOS DE EMERGENCIA DEL METANOL.

Las aplicaciones mencionadas anteriormente representan la mayor parte del

consumo de metanol mundial actual. Aunque el consumo se ha estabilizado

durante la crisis económica mundial reciente, se anticipa un aumento del uso de

metanol debido a nuevas aplicaciones en tecnologías emergentes y a una mayor

demanda en países en vías de desarrollo durante el período de 2010 a 2020.

A continuación tratamos cuatro de estos nuevos usos:

1. Desnitrificación de efluentes cargados de compuestos orgánicos procedentes

de plantas de tratamiento de aguas residuales.

2. Combustible en motores de turbina que utilicen metanol.

3. Combustible en celdas de combustible de metanol directas.


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4. La inhibición y la mitigación de hidratos de gas natural en la producción de

hidrocarburos en plataformas petrolíferas marinas en aguas intermedias y

profundas.

El alza actual en el precio de los combustibles está forzando a los conductores a

alterar sus hábitos de conducción y a cambiar los combustibles o los vehículos

usados. Es posible que aumente la presión para desarrollar modalidades de

transporte y fuentes de energía alternativas, que incluyan celdas de combustible

y motores de turbinas impulsados por metanol.

1.2.6. ROMBO DE SEGURIDAD (METANOL).

NFPA 704 es la norma que explica el "diamante de materiales peligrosos"

establecido por la Asociación Nacional de Protección contra el Fuego (inglés:

National Fire Protection Association), utilizado para comunicar los riesgos de los

materiales peligrosos. Es importante para ayudar a mantener el uso seguro de

productos químicos. Se emplea para el transporte de productos envasados y a

granel, y no para el almacenamiento estacionario como tanque de Crudo,

Productos, etc.. La edición actual es la del año 2012.

A continuación se representa el rombo de seguridad para el metanol, (Figura 3).

Figura 3: Rotulo NFPA, Para el metanol.

http://es.wikipedia.org/wiki/Norma_(tecnolog%C3%ADa)

http://es.wikipedia.org/wiki/Asociaci%C3%B3n_Nacional_de_Protecci%C3%B3n_contra_el_Fuego

http://es.wikipedia.org/wiki/Idioma_ingl%C3%A9s

http://es.wikipedia.org/wiki/Material_peligroso

http://es.wikipedia.org/wiki/Producto_qu%C3%ADmico


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1.2.7. HOJA DE SEGURIDAD (METANOL).

IDENTIFICACION

Sinónimos: Alcohol Metílico, Hidrato Metílico, Monohidroximetano, Carbinol, Hidróxido

Metílico, Metinol, Alcohol o Espíritu de Madera.

Fórmula: CH3OH

Composición: Puro o en solución concentrada

Número Interno:

Número CAS: 67-56-1

Número UN: 1230

Clases UN: 3.2

Usos: Solvente, combustible, plastificante, reactivo de laboratorio, extracción de aceites

vegetales y animales, anticongelante, elevador de octano, manufactura de

productos químicos y farmacéuticos, agente de extracción, producción de

formaldehído, monometil, dimetilamina, sulfato dimetílico, matil antraquinona y

metil ésteres, desnaturalización de etanol, deshidratación de gas natural, en la

producción de pinturas, barnices, cementos, tintas, cosméticos, plásticos y

colorantes.

EFECTOS PARA LA SALUD

Límites de exposición ocupacional:

TWA: 262 mg/m3 (PIEL)

STEL: 328 mg/m3

TECHO (C): N.R.

IPVS: N.R.

Inhalación:

Irrita las mucosas nasales y oculares. Produce asfixia, vértigo, tos, dolor de

cabeza, náuseas, vómito, transtornos oculares, convulsiones e

inconsciencia.

Ingestión:

Disturbios visuales, dolor abdominal, diarrea, vómito, inconciencia. En

casos graves: coma, paro respiratorio, ceguera, convulsiones, acidosis

metabólica severa y muerte.

Piel:

Se absorbe por la piel presentando efectos iguales a la inhalación.

Produce resequedad, enrojecimiento y dolor.

Ojos: Irritación, dolor, lagrimeo, sensación de quemadura y visión borrosa

Efectos Crónicos: Su eliminación del cuerpo es lenta. Produce ceguera,

acidosis metabólica, afecta el corazón y el sistema nervioso

central, en especial el nervio óptico, conduce a dolores de

cabeza persistentes y visión borrosa. Los efectos crónicos de

sobrexposición pueden incluir daños a los riñones y el hígado.

La exposición repetida o prolongada en contacto con la piel

conduce a dermatitis.


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PRIMEROS AUXILIOS

Inhalación: Trasladar al aire fresco. Si no respira administrar respiración

artificial (evitar el método boca a boca). Si respira con

dificultad suministrar oxígeno. Mantener la víctima abrigada

y en reposo. Buscar atención médica inmediatamente.

Ingestión: Lavar la boca con agua. Si está consciente, suministrar

abundante agua o de a beber una copa de whisky. No

inducir el vómito. Buscar atención médica inmediatamente.

Piel: Retirar la ropa y calzado contaminados. Lavar la zona

afectada con abundante agua y jabón, mínimo durante 15

minutos. Si la irritación persiste repetir el lavado. Buscar

atención médica

Ojos: Lavar con abundante agua, mínimo durante 15 minutos.

Levantar y separar los párpados para asegurar la remoción

del químico. Si la irritación persiste repetir el lavado. Buscar

atención médica.

RIESGOS DE INCENDIO Y/O EXPLOSIÓN

Punto de inflamación (ºC): 11 copa

cerrada Temperatura de autoignición (ºC): 385 Limites de inflamabilidad (%V/V): 6 - 36

Peligros de incendio y/o explosión:

Altamente inflamable. Los vapores son más pesados que el aire,

pueden viajar hasta la fuente de ignición y regresar en llamas. Los

contenedores pueden explotar cuando están expuestos a las

llamas. Puede formar mezclas explosivas con el aire. Productos de la combustión:

Produce gases tóxicos de óxidos de carbono Precauciones para evitar incendio y/o explosión:

Mantener alejado de cualquier fuente de ignición y calor.

Proveer buena ventilación al nivel del piso en los sitios de

trabajo. Evitar el contacto con materiales incompatibles.

Conectar a tierra los contenedores para evitar descargas

electrostáticas. Los equipos eléctricos, de iluminación y

ventilación deben ser a prueba de explosión. Procedimientos en caso de incendio y/o explosión:

Evacuar o aíslar el área de peligro. Restringir el acceso a personas

innecesarias y sin la debida protección. Ubícarse a favor del viento.

Usar equipo de protección personal. Retirar los contenedores

expuestos si puede hacerlo sin riesgo, en caso contrario, enfríelos

aplicando agua en forma de rocío desde una distancia segura. No

introduzcir agua a los contenedores.


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ALMACENAMIENTO Y MANIPULACIÓN

Almacenamiento: Lugares ventilados, frescos y secos, a temperaturas inferiores a 30°C. Lejos de

fuentes de calor e ignición. Separado de materiales incompatibles. Rotular los recipientes

adecuadamente. No fumar, ni exponer a los rayos solares. Conectar a tierra los contenedores para

evitar descargas electrostáticas. Los equipos eléctricos, de iluminación y ventilación deben ser a

prueba de explosión.

Tipo de recipiente:

Manipulación: Usar siempre protección personal total así sea corta la exposición o la actividad que

realice con el producto. Mantener estrictas normas de higiene, no fumar, ni comer en el sitio de

trabajo. Usar las menores cantidades posibles. Conocer en donde está el equipo para la atención

de emergencias. Leer las instrucciones de la etiqueta antes de usar el producto. Rotular los

recipientes adecuadamente. Usar herramientas que no produzcan chispas.

EQUIPO DE PROTECCIÓN PERSONAL/CONTROL EXPOSICIÓN

Uso Normal: Respirador con filtro para vapores orgánicos, monogafas,

guantes de caucho o neopreno, delantal de caucho.

Control de Emergencias:

Equipo de respiración autónomo (SCBA) y traje de neopreno,

guantes de caucho o neopreno, botas de caucho.

Controles de Ingeniería:

Ventilación local y general, para asegurar que la

concentración no exceda los límites de exposición

ocupacional. Control exhaustivo de las condiciones de

proceso. Debe disponerse de duchas y estaciones

lavaojos.

PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS

Apariencia: Líquido claro, incoloro de olor picante

característico.

Gravedad Específica (Agua=1): 0.791 / 20 °C

Punto de Ebullición (ºC): 64.5

Punto de Fusión (ºC): -97.8

Densidad Relativa del Vapor

(Aire=1): 1.10

Presión de Vapor (mm Hg): 92.0 / 20 °C

Viscosidad (cp): 0.56 / 20 °C

pH: Neutro.

Solubilidad: Soluble en agua, acetona, etanol,

benceno,cloroformo y éter.


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ESTABILIDAD Y REACTIVIDAD

Estabilidad: Estable bajo condiciones normales

Incompatibilidades o materiales a evitar:

Agua: No

Aire: No

Otras: Reacción vigorosa con agentes oxidantes (nitratos, percloratos,

peróxido de hidrógeno, ácido nítrico, ácido perclórico, trióxido de

cromo), ácido sulfúrico. Reacción violenta con anhídrido crómico,

perclorito de plomo, cloroformo e hidróxidos.

INFORMACIÓN TOXICOLOGICA

Antídoto: Etanol.

DL50 (oral, ratas) = 7.5 g/kg.

DL50 (oral, ratones) = 870 mg/kg.

DL50 (piel, ratas) = mayor de 20000 ml/kg.

DL50 (piel, conejos) = 20 g/kg.

LC50 (inhalación, ratas) = 64000 ppm (4 horas).

LC50 (inhalación, gato) = mayor de 33600 ppm (6 horas).

INFORMACIÓN ECOLOGICA

La sustancia es de baja toxicidad para organismos acuáticos y terrestres. DBO5= 48-124%.

DQO=1.05-1.5. Toxicidad peces:

LC50 = 13680 ppm/96H/trucha arcoiris/agua fresca.

INFORMACIÓN DE TRANSPORTE

Etiqueta roja de líquido inflamable. No transportar con sustancias clase explosivas, gases

venenosos, sólidos de combustión espontánea, sustancias comburentes, peróxidos orgánicos,

materiales radiactivos, sustancias con riesgo de incendio, ni alimentos.

INFORMACIÓN DE REGULACIÓN

1. Código Nacional de Tránsito Terrestre. Decreto 1344/70, modificado por la Ley 33/86. Artículo 48:

Transportar carga sin las medidas de protección, higiene y seguridad. Artículo 49: Transportar

materiales inflamables, explosivos o tóxicos al mismo tiempo que pasajeros o alimentos. Artículo 50:

Transportar combustible o explosivos en forma insegura. Suspensión de la Licencia de Conducción.

2. Ministerio de Justicia, Consejo Nacional de Estupefacientes. Resolución 0009 de Febrero 18/87.

Artículo 20 de la ley 30 de 1986. Por la cual se reglamenta en el Territorio Nacional la importación,

fabricación, distribución, transporte y uso de sustancias que pueden ser utilizadas para el

procesamiento de drogas que producen dependencia.


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1.3. RECIPIENTES A PRESIÓN.

un recipiente a presión, tal como su nombre lo dice, es un recipiente limitado a

ciertas condiciones ambientales en las cuales su función es contener algún

elemento sujetándolo a presión, para ello se desarrollara este proyecto para su

diseño, calculo y selección de material.

1.3.1. TIPOS DE RECIPIENTES.

Existen numerosos tipos de recipientes que se utilizan en las plantas industriales o

de procesos. Algunos de estos tienen la finalidad de almacenar sustancias que se

dirigen o convergen de algún proceso, este tipo de recipientes son llamados en

general tanques. Los diferentes tipos de recipientes que existen, se clasifican de la

siguiente manera:

POR SU USO: Los podemos dividir en recipientes de almacenamiento y en

recipientes de procesos.

Los primeros nos sirven únicamente para almacenar fluidos a presión y de

acuerdo con sus servicios son conocidos como tanques de almacenamiento,

tanques de día, tanques acumuladores, etc.

POR SU FORMA: Los recipientes a presión pueden ser cilíndricos o esféricos. Los

primeros son horizontales o verticales y pueden tener en algunos casos, chaquetas

para incrementar o decrecer la temperatura de los fluidos según sea el caso. Los

esféricos se utilizan generalmente como tanques de almacenamiento, y se

recomiendan para almacenar grandes volúmenes esféricos a altas presiones.

Puesto que la forma esférica es la forma natural que toman los cuerpos al ser

sometidos a presión interna esta sería la forma más económica para almacenar

fluidos a presión sin embargo en la fabricación de estos es mucho más cara a

comparación de los recipientes cilíndricos.

Los tipos más comunes de recipientes pueden ser clasificados de acuerdo a su

geometría como:

1.- Recipientes Abiertos.

1.1.- Tanques Abiertos.

2.- Recipientes Cerrados.

2.1.- Tanques cilíndricos verticales, fondo plano.

2.2.- Recipientes cilíndricos horizontales y verticales con cabezas formadas.

2.3.- Recipientes esféricos.


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Indicaremos algunas de las generalidades en el uso de los tipos más comunes de

recipientes:

RECIPIENTES ABIERTOS: Los recipientes abiertos son comúnmente utilizados como

tanque igualador o de oscilación como tinas para dosificar operaciones donde

los materiales pueden ser decantados como: desecadores, reactores químicos,

depósitos, etc.

Obviamente este tipo de recipiente es más que el recipiente cerrado de una

misma capacidad y construcción. La decisión de que un recipiente abierto o

cerrado es usado dependerá del fluido a ser manejado y de la operación. Estos

recipientes son fabricados de acero, cartón, concreto…. Sin embargo en los

procesos industriales son construidos de acero por su bajo costo inicial y fácil

fabricación.

RECIPIENTES CERRADOS: Fluidos combustibles o tóxicos o gases finos deben ser

almacenados en recipientes cerrados. Sustancias químicas peligrosas, tales como

ácidos o sosa cáustica son menos peligrosas si son almacenadas en recipientes

cerrados.

TANQUES CILINDRICOS DE FONDO PLANO: El diseño en el tanque cilíndrico vertical

operando a la presión atmosférica, es el tanque cilíndrico con un techo cónico y

un fondo plano descansando directamente en una cimentación compuesta de

arena, grava o piedra triturada. En los casos donde se desea usar una

alimentación de gravedad, el tanque es levantado arriba del terreno y el fondo

plano debe ser incorporado por columnas y vigas de acero.

RECIPIENTES CILINDRICOS HORIZONTALES Y VERTICALES CON CABEZAS FORMADAS:

Son usados cuando la presión de vapor del líquido manejado puede determinar

un diseño más resistente. Varios códigos han sido desarrollados o por medio de los

esfuerzos del API y el ASME para gobernar el diseño de tales recipientes. Una gran

variedad de cabezas formadas son usadas para cerrar los extremos de los

recipientes cilíndricos. Las cabezas formadas incluyen la semiesférica, elíptica,

toriesférica, cabeza estándar común y toricoidal. Para propósitos especiales de

placas planas son usadas para cerrar un recipiente abierto. Sin embargo las

cabezas planas son raramente usadas en recipientes grandes.

RECIPIENTES ESFERICOS: El almacenamiento de grandes volúmenes bajo presiones

materiales son normalmente de los recipientes esféricos. Las capacidades y

presiones utilizadas varían grandemente. Para los recipientes mayores el rango de

capacidad es de 1000 hasta 25000 Psi (70.31 - 1757.75 Kg/cm²).

Y de 10 hasta 200 Psi (0.7031 - 14.06 Kg/cm²) para los recipientes menores.

Cuando una masa dada de gas esta almacenada bajo la presión es obvio que el

volumen de almacenamiento requerido será inversamente proporcional a la

presión de almacenamiento.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

17

En general cuando para una masa dada, el recipiente esférico es más

económico para grandes volúmenes y bajas presiones de operación.

A presiones altas de operación de almacenamiento, el volumen de gas es

reducido y por lo tanto en tipo de recipientes cilíndricos es más económico.

1.3.2. DEFINICIÓN DE CONCEPTOS DE RECIPIENTES A PRESIÓN.

PRESIÓN DE OPERACIÓN

Es identificada como la presión de trabajo y es la presión manométrica a la cual

estará sometido un equipo en condiciones de operación normal.

La presión que se requiere en el proceso del que forma parte el recipiente, a la

cual trabaja normalmente este.

PRESIÓN DE DISEÑO (Design Pressure).

Es el valor que debe utilizarse en las ecuaciones para el cálculo de las partes

constitutivas de los recipientes sometidos a presión.

La presión que se emplea para diseñar el recipiente. Se recomienda diseñar un

recipiente y sus componentes para una presión mayor que la de operación. Este

requisito se satisface utilizando una presión de diseño de 30 lb/pulg² o 10% más

que la presión de trabajo, la que sea mayor.

También debe tomarse en consideración la presión del fluido y de cualquier otra

sustancia contenida en el recipiente.

PRESIÓN DE PRUEBA HIDROSTATICA (Hydrostatic Test Pressure).

Se entenderá por presión hidrostática de prueba y se cuantificará por medio de

la siguiente ecuación:

MAWP (1,3)= PRESIÓN DE PRUEBA (Hydrostatic Test Pressure)

PRESIÓN DE TRABAJO MÁXIMA PERMISIBLE (Maximum Allowable Working Pressure

―MAWP‖).

Es la presión máxima a la que se puede someter un recipiente, en condiciones de

operación, suponiendo que él está:

a) En condiciones después de haber sido corroído.

b) Bajo los efectos de la temperatura de diseño.

c) En la posición normal de operación.

Design

MDMT

S

SMAWP 3.1


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18

d) Bajo los efectos de otras cargas, tales como fuerza debida al viento,

presión hidrostática, cuyos efectos deben agregarse a los ocasionados por la

presión interna.

Es una práctica común, seguida por los usuarios, diseñadores y fabricantes de

recipientes a presión, limitar la presión de trabajo máxima permisible por la

resistencia del cuerpo o las tapas, y no por elementos componentes pequeños

tales como bridas, boquillas, etc.

El término ―Máxima presión de trabajo permisible nuevo y frío‖ es usado

frecuentemente. Esto significa: La presión máxima permisible, cuando se

encuentra en las siguientes condiciones:

El recipiente no está corroído (nuevo).

La temperatura no afecta a la resistencia a la tensión del material.

Tampoco se consideran los efectos producidos por la acción del

viento, presión hidrostática y otros.

El valor de la presión de trabajo máxima permisible, se obtiene despejando ―P‖

(Presión de diseño interna) de las ecuaciones que determinan los espesores del

cuerpo y las tapas, y usando como ―t‖ el espesor real del equipo y su valor será el

que resulte menor.

ESFUERZO DE DISEÑO A LA TENSIÓN (Maximum allowable stress value).

Es el valor máximo al que podemos someter un material, que forma parte de un

recipiente a presión, en condiciones normales de operación. Su valor es

aproximadamente el 25% del esfuerzo último a la tensión del material en cuestión.

EFICIENCIA DE LAS SOLDADURAS (Joint Effiencies).

Se puede definir la eficiencia de las soldaduras, como el grado de confiabilidad

que se puede tener de ellas. Sus valores están dados en la Tabla UW-12 Sección

VII,div. 1 del código ASME, en la cual se muestran los tipos de juntas más

comúnmente usados en la fabricación de recipientes a presión.

CARGA ESTÁTICA

Se presenta cuando el fluido contenido en un recipiente ejerce presión sobre las

paredes del mismo. Cuando el fluido esta en reposo, la intensidad de la presión

en un punto es igual en todas direcciones hacia los lados y el fondo del recipiente

y varía según la altura del fluido respecto al punto en el que se esté considerando

la presión. Cuando sea aplicable, la carga estática deberá sumarse a la presión

del diseño del recipiente.


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19

ADDENDA

Hojas de color anexas que incluyen adiciones y revisiones a las secciones

individuales del Código ASME, son publicadas anualmente y enviadas

automáticamente a los compradores de las secciones aplicables hasta la

publicación de la siguiente edición Las adendas son obligatorias a los seis meses

de su publicación (1° de Enero de cada año).

1.4. HISTORIA DEL CÓDIGO ASME.

A finales de 1700, sobresale el uso de calderas y la necesidad de proteger al

personal de fallas catastróficas. Las calderas para generación de vapor con

presiones mayores a la atmosférica. El descuido y la negligencia de los

operadores, las fallas de diseño en las válvulas de seguridad, e inspecciones

inadecuadas producen muchas fallas y explosiones de calderas en los Estados

Unidos y Europa.

En junio de 1817, el comité del consejo de Filadelfia expone las explosiones de

calderas de barcos. Este comité recomienda que se establezca un Instituto

Legislador y se reglamenten las capacidades de presión, instalación adecuada a

la válvula de alivio e inspección mensual.

En 1911, debido a la falta de uniformidad para la fabricación de calderas, los

fabricantes y usuarios de calderas y recipientes a presión recurrieron al consejo de

la A.S.M.E. (The American Society of Mechanical Engineers), para corregir esta

situación.

En respuesta a las necesidades obvias de diseño y estandarización, numerosas

sociedades fueron formadas entre 1911 y 1921, tales como la A.S.A. (Asociación

Americana de Estándares) ahora ANSI (Instituto Americano de Estándares

Nacionales) el A.I.S.C. (Instituto Americano del Acero de Construcción) y la A.W.S.

(Sociedad Americana de Soldadura).

Los códigos estándares fueron establecidos para proporcionar métodos de

fabricación, registros y reportar datos de diseño.


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20

1.4.1. CLASIFICACIÓN DEL CÓDIGO A.S.M.E.

Sección I.- Reglas para la construcción de calderas de potencia

Sección II.- Especificación de materiales

Sección III.- Requisitos generales para División 1 y División 2

Sección IV.- Reglas para la construcción de calentadores.

Sección V.- Examinaciones no destructivas

Sección VI.- Reglas recomendadas para el cuidado y operación de

calentadores.

Sección VII.- Guía recomendada para el cuidado de Calderas de Potencia.

Sección VIII.- Reglas para la construcción de recipientes a presión.

Sección IX.- Calificación de Soldadura y Brazing.

Sección X.- Recipientes a Presión de Plástico con fibra reforzada.

Sección XI.- Reglas para Inspección en servicio de componentes de Plantas

Nucleares.

Sección XII.- Reglas para la construcción de tanques de transporte de servicio

continuo.


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21

1.4.2. ANÁLISIS DE LA SECCIÓN VIII, DEL CÓDIGO ASME.

Sección VIII Reglas para la construcción de recipientes a presión.

División 1.- Reglas para la construcción

División 2.- Reglas para la construcción. Reglas alternativas.

División 3.- Reglas alternativas para la construcción de recipientes de alta presión.

Nota: Los fabricantes de equipos a presión pueden certificarse con el ASME para

usar cualquiera de las estampas otorgadas bajo el cumplimiento de alguna de

las secciones mencionadas. Los fabricantes pueden adquirir una o varias

estampas durante el proceso de certificación; El proceso de certificación consiste

en una auditoría realizada en la empresa (en sitio) para extender un certificado

de autorización (certificate of authorization).

La acreditación de un fabricante tiene una duración de tres años, después de los

cuales se debe realizar otra auditoria (joint review) para revalidar las estampas.

Para el caso de nuestro recipiente, diseñado con la sección VIII div.1,

correspondería la estampa U, referente a recipientes a presión, como se ilustra a

continuación (Figura 4).

Sección VIII, División 1

- Recipientes a Presión

- Recipientes a Presión Miniatura

Figura 4: Estampados para recipientes a presión.


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22

La sección VIII, Div.1, está dividida en tres sub.-secciones:

Sub-Sección A: Requerimientos generales

Parte UG: Requisitos generales para todos los métodos de construcción y

materiales.

Sub-Sección B: Requerimientos de los métodos de fabricación para los recipientes

a presión.

Parte UW: Recipientes soldados.

Parte UF: Recipientes forjados.

Parte UB: Recipientes fabricados por brazing.

Sub-Sección C: Cubre específicamente requerimientos aplicables a diferentes

clases de materiales utilizados en la construcción de recipientes a presión.

Parte UCS: Aceros al carbono y de baja aleación.

Parte UNF: Metales no ferrosos.

Parte UHA: Aceros de alta aleación.

Parte UCI: Materiales de hierro fundido.

Parte UCL: Materiales revestidos.

Parte UCD: Materiales de hierro fundido dúctil.

Parte UHT: Materiales de acero ferritico tratados térmicamente.

Parte ULW: Recipientes fabricados por capas.

Parte ULT: Materiales de alto esfuerzo para baja temperatura.

Parte UHX: Intercambiadores De calor.

Nota: La sección II, parte D contiene tablas para valores de esfuerzo máximo

permitido para estas clases de materiales.


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23

1.4.2.1. LIMITACIONES DE LA DIVISIÓN I.

El Código A.S.M.E., Sección VIII División 1, especifica claramente algunas

limitaciones, entre las principales tenemos:

La presión deberá ser menor a 3000 psi.

Recipientes a presión que son parte integral de componentes de sistemas

de tubería.

Sistemas de tuberías.

Componentes de tubería.

Recipientes para menos de 454.3 L (120 gal) de capacidad de agua, que

utilizan aire como elemento originador de presión.

Tanques que suministran agua caliente bajo las siguientes características:

a) Suministro de calor no mayor de 58,600 W (200,000 Btu/h)

b) Temperatura del agua de 99 °C (210 °F).

c) Capacidad de 454.3 L (120 gal)

Recipientes sujetos a presión interna o externa menor de 1.0055 Kg./cm²

(15psi)

Recipientes que no excedan de 15.2 cm (6 in) de diámetro.


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24

1.4. NORMAS PARA EL DISEÑO DE UN RECIPIENTE A PRESIÓN.

A.W.S. (American Welding Society)

Proporciona la información fundamental de soldadura, diseño de soldadura,

calificación, pruebas e inspección de soldaduras, así como una Guía de la

aplicación y uso de la soldadura.

A.I.S.C. (American Institute of Steel Construction)

Fundado en 1921, su primer manual surgió en 1926, proporciona una Guía y

código para maximizar la eficiencia del diseño de acero estructural y seguridad.

El código A.I.S.C. contiene ecuaciones de diseño, criterios de diseño y diseños

prácticos para acero estructural. Su uso es recomendado para el diseño de

edificios, puentes o cualquier estructura de acero, incluyendo aquellas que sirvan

como soportes rígidos de tubería.

A.N.S.I. (American National Standars Institute)

Inicialmente establecida en 1918 como A.S.A. (American Standars Association)

cambio su nombre en 1967 a U.S.A.S.I. (U.S.A. Standars Institute) y en 1969 cambio

a A.N.S.I.

No todos los estándares de U.S. son directamente resueltos por A.N.S.I. El A.S.M.E.,

A.W.S., y numerosas organizaciones definen los estándares y códigos aplicables a

la tubería.

A.N.S.I. clasifica la aplicación del sistema de tuberías, bridas, pernos, roscas,

válvulas.

A.S.M.E. (American Society of Mechanical Engineers)

En 1913, en comité editó el primer reporte preliminar de 2000 ingenieros

mecánicos, profesionales e inspectores de seguros.

En 1914, se editó la sección 1 del código A.S.M.E., uno de los primeros códigos y

estándares en U.S.

El comité recomienda del código para calderas y recipientes a presión así como

el estándar para construcción y código de inspección.

A.S.T.M. (American Society for Testing and Materials)

Fue fundada en 1898 para desarrollar los estándares de la característica y

eficiencia de los materiales, productos, suministros de servicios y producir lo

relativo a su comportamiento.


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25

1.4.1. NORMAS DE CALIDAD “ISO”.

INTRODUCCION.

Este estándar internacional es uno de los tres estándares internacionales

relacionados con los requerimientos de calidad, los cuales pueden ser utilizados

para propósitos de aseguramiento de calidad establecidos por los tres estándares

internacionales mencionados.

ISO 9001. Sistema de calidad.

Modelo de aseguramiento de calidad en diseño, desarrollo, producción,

instalación y servicio. Para usarse cuando la conformidad de requerimientos

especificados debe ser asegurada por el proveedor durante el diseño, desarrollo,

producción, instalación y servicio.

ISO 9002. Sistema de calidad - modelo para aseguramiento de calidad en

producción, instalación y servicio.

Para usarse cuando la conformidad de requerimiento especificado debe ser

asegurada por el proveedor durante la producción, instalación y servicio.

ISO 9003. Sistema de calidad - modelo para aseguramiento de calidad en prueba

de inspección final.

POLITICA DE CALIDAD.

La administración del proveedor con responsabilidad ejecutiva de definir y

aumentar su política para la calidad. La política de calidad debe ser relacionada

a los propósitos organizacionales del proveedor así como las expectativas y

necesidades de sus clientes, el proveedor deberá tomar en cuenta las diferentes

actividades como apropiadas, en reunir requerimientos especificados para

productos.

ENTRADA DE DISEÑO.

Los requerimientos de entrada de diseño relacionado con el producto,

incluyendo requerimientos aplicables mandatarios y regulatorios deben ser

identificados, documentados y revisado su selección con el proveedor, para su

educación. Los requerimientos incompletos, ambiguos o conflictivos, deben ser

resueltos con aquellos responsables de establecer estos requerimientos.


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26

SALIDA DE DISEÑO.

Debe ser documentada y expresada en términos que pueda ser verificada y

validada contra los requerimientos de entrada de diseño.

La salida de diseño debe ser;

Satisfacer los requerimientos de entrada de diseño.

Contener o hacer referencia a criterios de aceptación.

Identificar aquellas características del diseño que son cruciales en la seguridad y

funcionamiento apropiado del producto. Los documentos de salida de diseño

deben ser revisados antes de su liberación.

REVISION DE DISEÑO.

En apropiadas etapas de diseño, revisiones formales documentadas de los

resultados de diseño deben ser planeadas y conducidas.

Los participantes en cada revisión deben incluir representantes de todas las

funciones relacionadas con la etapa de diseño está siendo revisada, así como

otro personal especialista cuando se requiera.

CAMBIOS DE DISEÑO.

Todos los cambios y modificaciones de diseño deben ser identificados,

documentados, revisados y comprobados por personal autorizado antes de su

implementación.


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27

1.5. SELECCIÓN DE MATERIALES PARA RECIPIENTES A PRESIÓN.

Cuando se selecciona un material (Figura 5), para un recipiente a presión de

acuerdo a la Sección VIII, División 1, se tienen que consultar los siguientes temas:

1) La Sub-sección A para los requisitos generales

2) La Sub-sección B para los métodos de fabricación que puedan afectar la

selección del material y cualquier restricción de servicio.

3) La Sub-sección C para los requisitos específicos de los materiales.

4) Los Apéndices obligatorios para cualquier aplicación especial.

5) La Sección II para los requisitos detallados de los materiales

Parte A –Materiales Ferrosos

Parte B – Materiales No Ferrosos

Parte C – Materiales de Soldadura

Parte D – Propiedades

Figura 5: Materiales para recipientes a presión.


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28

1.5.2. ESPECIFICACIÓN DE LOS ACEROS.

Los aceros al carbón y de baja aleación son usualmente usados donde las

condiciones de servicio lo permitan por los bajos costos y la gran utilidad de estos

aceros.

Los recipientes a presión pueden ser fabricados de placas de acero conociendo

las especificaciones de SA-7, SA-113 C y SA-283 A, B, C, y D, con las siguientes

consideraciones:

1.- Los recipientes no contengan líquidos ó gases letales.

2.- La temperatura de operación está entre -20 y 650 °F.

3.- El espesor de la placa no exceda de 5/8"

4.- El acero sea manufacturado por horno eléctrico u horno abierto.

5.- El material no sea usado para calderas.

Uno de los aceros más usados en los propósitos generales en la construcción de

recipientes a presión es el SA-283 C.

Estos aceros tienen una buena ductilidad, fusión de soldadura y fácilmente

máquinables. Este es también uno de los aceros más económicos apropiados

para recipientes a presión; sin embargo, su uso es limitado a recipientes con

espesores de placas que no excedan de 5/8" para recipientes con un gran

espesor de cascarón y presión de operación moderadas el acero SA-285 C es

muy usado. En el caso de presiones altas o diámetros largos de recipientes, un

acero de alta resistencia puede ser usado como el acero SA-212 B es conveniente

para semejantes aplicaciones y requiere un espesor de cascarón de solamente

de 790% que el requerido por el SA-285 C. Este acero es también fácilmente

fabricado pero es más caro que otros aceros.

1.5.3. CLASES DE MATERIALES.

El código ASME indica la forma de suministro de los materiales más utilizados, lo

cual, va implícito en su especificación. A continuación se dan algunos ejemplos

de materiales, su especificación y forma de suministro.

Debido a la existencia de diferentes materiales disponibles en el mercado, en

ocasiones no resulta sencilla la tarea de seleccionar el material ya que deben

considerarse varios aspectos como costos, disponibilidad de material,

requerimientos de procesos y operación, facilidad de formato, etc.


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29

Así pues, es necesario una explicación más amplia acerca del criterio de la

selección de los materiales que pueden aplicarse a los recipientes como:

ACEROS AL CARBÓN.

Es el más disponible y económico de los aceros, recomendables para la mayoría

de los recipientes donde no existen altas presiones ni temperaturas.

ACEROS DE BAJA ALEACION.

Como su nombre lo indica, estos aceros contienen bajos porcentajes de

elementos de aleación como níquel, cromo, etc. Y en general están fabricados

para cumplir condiciones de uso específico. Son un poco más costosos que los

aceros al carbón.

Por otra parte no se considera que sean resistentes a la corrosión, pero tienen

mejor comportamiento en resistencia mecánica para rangos más altos de

temperaturas respecto a los aceros al carbón.

ACEROS DE ALTA ALEACION

Comúnmente llamados aceros inoxidables. Su costo en general es mayor que

para los dos anteriores. El contenido de elementos de aleación es mayor, lo que

ocasiona que tengan alta resistencia a la corrosión.

MATERIALES NO FERROSOS

El propósito de utilizar este tipo de materiales es con el fin de manejar sustancias

con alto poder corrosivo para facilitar la limpieza en recipientes que procesan

alimentos y proveen tenacidad en la entalla en servicios a baja temperatura.


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30

CAPÍTULO II DEFINICIÓN DEL

PROBLEMA Y CÁLCULO DEL RECIPIENTE A

PRESIÓN.


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31

2.1. FILOSOFÍA DE DISEÑO.

En general los recipientes a presión diseñados de acuerdo con el código ASME

Secc. VIII Div. 1, son diseñados por reglas que no requieren una evaluación

detallada de todos los esfuerzos. Se reconoce que existen esfuerzos secundarios

elevados flexionantes pero al admitir un factor elevado de seguridad y las reglas

del diseño, estos esfuerzos serán compensados como regla general cuando se

realiza un análisis más detallado de esfuerzos permiten considerar esfuerzos

admisibles mayores en lugar de usar un factor de seguridad elevado como el

utilizado en el código. Un factor de seguridad elevado refleja una falta de

conocimiento de los esfuerzos reales.

2.1.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA.

El diseño del recipiente horizontal para la industria petroquímica, se base en el

código A.S.M.E. por lo cual el procedimiento también puede ser usado como

método para diseñar cualquier otro recipiente en una industria, conteniendo

diferentes fluidos en las cuales solo cambiaran los datos de diseño.

Este proyecto está encaminado al diseño, cálculo y selección de materiales para

el tanque de almacenamiento (Figura 6), que es el enfoque principal del

desarrollo de este trabajo.

Figura 6: Tanque Horizontal de almacenamiento.


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32

2.2. REQUERIMIENTOS PARA EL DISEÑO.

A continuación mencionaremos en la Tabla 3, los requerimientos del cliente para

poder así, diseñar su tanque de almacenamiento para metanol.

Tabla 3: Requerimientos mínimos de diseño.

―DATOS DE DISEÑO‖

REQUERIMIENTOS MINIMOS

Servicio/ Uso: METANOL

Volumen: V 30000 L 7925.166 gal

Presión de diseño: P 0.69 MPa. 100 psi

Temperatura de diseño: T 100 0C 212 0F

Diámetro Externo: 1828.8 mm 78 in

REQUERIMIIENTOS COMPLEMENTARIOS

Espesor de Material (Propuesto)*: t 6.35 mm 0.25 in

Diámetro Interno: 1968.5 mm 77.5 in

Radio Interno 984.25 mm 38.75 in

Material: M SA-285 ―C‖

Esfuerzo de tensión del material (mín.): δ 380 MPa 55000 psi

Punto de Cedencia: 205 MPa 30000 psi

Factor de seguridad:** F 3.5

Esfuerzo Máximo Permitido (UG-23): S 108.5 MPa 15714.28 psi

Margen por corrosión (UG-25). C 1.58 mm

‖

* El espesor de material se propone o puede ser que es el material con el que

dispone el cliente para la elaboración de dicho tanque, finalmente los cálculos

nos corroborarán si es el adecuado o no.

**Es un factor determinado para garantizar la seguridad en la operación del

recipiente.


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33

2.3. SECCIÓN CILINDRICA (CUERPO).

ESFUERZOS EN CASCOS CILÍNDRICOS.

La presión uniforme, interna o externa, induce en la costura longitudinal un

esfuerzo unitario igual al doble del que obra en la costura circunferencial, por la

geometría misma del cilindro.

Cuando otras fuerzas (de viento, sísmicas, etc.) no son factores importantes, un

recipiente sujeto a presión externa, debe diseñarse para resistir solo la

deformación circunferencial. Las normas establecen el método de diseño para

llenar tal requisito.

Cuando actúan además otras cargas, la combinación de las mismas puede ser la

que rija, y podrá requerirse una placa de mayor espesor que el necesario para

resistir únicamente la deformación circunferencial.

ESFUERZO LONGITUDINAL

*Según Código ASME, Sección VIII, Div. I.

UG-27 Cuerpos cilíndricos.

Esfuerzo longitudinal –Esfuerzo basado en junta circunferencial (Figura 7).

Figura 7: Esfuerzo longitudinal (Junta circunferencial).

ESFUERZO CIRCUNFERENCIAL

*Según Código ASME, Sección VIII, Div. I.

UG-27 Cuerpos cilíndricos.

Esfuerzo circunferencial –Esfuerzo basado en junta longitudinal (Figura 8).

Figura 8: Esfuerzo circunferencial (Junta longitudinal).


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34

2.3.1. CÁLCULO DE LA SECCIÓN CILINDRICA (CUERPO).

Tabla 4: Datos para el cálculo de la sección cilíndrica (Cuerpo).

REFERENCIA: CÓDIGO ASME SECCIÓN VIII, DIVISIÓN 1, EDICIÓN 2010,Adenda 2011ₐ.

*Cálculo del Espesor del Cuerpo (UG-27). A)

Espesor del cuerpo bajo presión interna,

Esfuerzo circunferencial ( Junta Longitudinal)

t = CPSE

RP

L

i )(6.0

*

t = 0625.0)100*6.0(7.0*15714

75.38100

t = 0.4167‖ = 10.58 mm*

*( Espesor nominal) = 0.4375 [

] = 11.11 mm

B)

Espesor del cuerpo bajo presión interna,

Esfuerzo Longitudinal ( Junta Circunferencial)

t = CPSE

RP

C

i )(4.02

*

t =

0625.0)100*4.0(65.0*157142

75.38*100

t = 0.251‖ = 6.39 mm

PARED DEL CILINDRO

Material: M SA- 285 ―C‖

JUNTA LONGITUDINAL:

Tipo de Junta: A Tope con Fusión y Penetración Completa

Radiografiado: RX

Radiografiado

Total

Radiografiado por

Muestreo Sin Radiografiado

X 1.0 X 0.85 √ 0.7 Eficiencia de Junta

Longitudinal (Esfuerzo

Circunferencial): 0.7

JUNTA CIRCUNFERENCIAL

Tipo de Junta: A Tope con Soldadura Sencilla y Bayoneta

Radiografiado: RX

Radiografiado

Total

Radiografiado por



Circunferencial (Esfuerzo

Longitudinal):

0.65

ESFUERZOS PERMITIDOS

Esfuerzo de tensión del

Material(min): δ 380 MPa 55000 psi

Esfuerzo Máximo Permitido: S 108.57 MPa 15714.28 psi


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35

2.4. CABEZAS DEL TANQUE (TAPAS).

Los recipientes sometidos a presión pueden estar construidos por diferentes tipos

de tapas o cabezas. Cada una de estas es más recomendable a ciertas

condiciones de operación y costo monetario.

TAPAS PLANAS:

Se utilizan para recipientes sujetos a presión atmosférica, generalmente, aunque

en algunos casos se usan también en recipientes a presión. Su costo entre las

tapas es el más bajo. Se utilizan también como fondos de tanques de

almacenamiento de grandes dimensiones (Figura 9).

Figura 9: Tapa Plana.

TAPAS TORIESFERICAS:

Son las de mayor aceptación en la industria, debido a su bajo costo y a que

soportan grandes presiones manométricas, su característica principal es que el

radio del abombado es aproximadamente igual al diámetro (Figura 10). Se

pueden fabricar en diámetros desde 0.3 hasta 6 m. (11.8 - 236.22 pulgadas.).

Figura 10: Tapa Toriesférica.


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36

TAPAS SEMIELIPTICAS:

Son empleadas cuando el espesor calculado de una tapa toriesférica es

relativamente alto, ya que las tapas semielipticas (Figura 11) soportan mayores

presiones que las toriesféricas.

El proceso de fabricación de estas tapas es troquelado, su silueta describe una

elipse relación 2:1, su costo es alto y en México se fabrican hasta un diámetro

máximo de 3 m.

Figura 11: Tapa Semieliptica.

TAPAS SEMIESFÉRICAS:

Utilizadas exclusivamente para soportar presiones críticas, como su nombre lo

indica, su silueta describe una media circunferencia perfecta, su costo es alto y

no hay límite dimensional para su fabricación (Figura12).

Figura 12: Tapa Semiesférica.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

37

TAPAS 80:10:

Ya que en México no se cuentan con prensas lo suficientemente grande, para

troquelar tapas semielipticas 2:1 de dimensiones relativamente grandes, hemos

optado por fabricar este tipo de tapas (Figura 13), cuyas características

principales son: El radio de abombado es el 80% de diámetro y el radio de

esquina o de nudillos es igual al 10% del diámetro. Estas tapas las utilizamos como

equivalentes a la semieliptica 2:1.

Figura 13: Tapa 80:10.

TAPAS CÓNICAS:

Se utilizan generalmente en fondos donde pudiese haber acumulación de sólidos

y como transiciones en cambios de diámetro de recipientes cilíndricos. Su uso es

muy común en torres fraccionadoras o de destilación, no hay límites en cuanto a

dimensiones para su fabricación y su única limitación consiste en que el ángulo

de vértice no deberá de ser calculado como tapa plana (Figura 14).

Figura 14: Tapa Cónica.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

38

TAPAS TORICONICAS:

A diferencia de las tapas cónicas, este tipo de tapas tienen en su diámetro,

mayor radio de transición que no deberá ser menor al 6% del diámetro mayor ó 3

veces el espesor (Figura 15). Tiene las mismas restricciones que las cónicas a

excepción de que en México no se pueden fabricar con un diámetro mayor de 6

más.

Figura 15: Tapa Toricónica.

TAPAS PLANAS CON CEJA:

Estas tapas se utilizan generalmente para presión atmosférica, su costo es

relativamente bajo, y tienen un límite dimensional de 6 m, de diámetro máximo

(Figura 16).

Figura 16: Tapa Plana con ceja.

TAPAS ÚNICAMENTE ABOMBADAS:

Son empleadas en recipientes a presión manométrica relativamente baja, su

costo puede considerarse bajo, sin embargo, si se usan para soportar presiones

relativamente altas, será necesario analizar la concentración de esfuerzos

generada, al efectuar un cambio brusco de dirección (Figura 17).

Figura 17: Tapa Únicamente abombada.


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39

2.4.1. CÁLCULO DE LAS CABEZAS (TAPAS).

Tabla 5: Datos para el cálculo de las cabezas (Tapas).

REFERENCIA: CÓDIGO ASME SECCIÓN VIII, DIVISIÓN 1, EDICIÓN 2010,Adenda 2011ₐ.

Cálculo del Espesor de las Cabezas, UG-32 y Apéndice 1-4 (C), UW 12 (d):

t = CPSE

KDP i )(2.02

)(

*k= Factor que depende de la relación del eje mayor y menor de la cabeza.

Dónde:

00.1226

1

375.192

5.772

6

1

22

6

1 2

22

h

DK i

t = 0625.0)100*2.0()85.0*15714(2

15.77*100

t = 0.352‖ = 8.96 mm*

*(Espesor nominal) = 0.375 [

] = 9.52 mm

PARED DE LAS CABEZAS

Tipo: SEMIELIPTICA

Material: M SA- 285 ―C‖

Tipo de Tapas: Semielipticas (Solicitado por el cliente)


Radiografiado:

(sin costura UW-12) RX

Radiografiado

Total

Radiografiado por



Longitudinal (Esfuerzo

Circunferencial): E 0.85





Profundidad interna de la

cabeza:

492.1 mm 19.375 in


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40

Dónde: H = Altura interna de llenado, (en pies).

𝐷𝑖 = Diámetro interno de la cabeza, (en pies).

(Figura 18).

2.5. CÁLCULO DE LA PRESION DE PRUEBA (HIDROSTÁTICA).

* Cálculo de Presión de Prueba Hidrostática: (UG-99)

Tabla 6: Datos para el cálculo de la prueba Hidrostática.

Presión para Prueba

Hidrostática:

HPT

P*1.3

100 *1.3 =

=130 psi ( 0.89 MPa )

2.6. CÁLCULO DEL VOLUMEN DEL RECIPIENTE.

2.6.1. CÁLCULO DEL VOLUMEN DE LAS CABEZAS (TAPAS).

*Partiendo de que las cabezas son semielípticas, tenemos que:

.

Figura 18: Esquema para determinar el volumen de las cabezas.


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41

Dónde: H = Altura interna de llenado, (en pies).

𝐷𝑖 = Diámetro interno de la cabeza, (en pies).

*‖H‖, La consideramos como si fuera el Diámetro interno, ya que se tomará como

un llenado al 100%.

Entonces tenemos que: 77.5 in = 6.45 ft

= 1

(2 Cabezas).

*Nota: Las unidades deberán estar en Pies, para poder así efectuar la operación

establecida y si el coeficiente es diferente a 1, se utilizaran las tablas del Manual

de recipientes a presión de Eugene Megyesy, (Pag. 408).

Partiendo de que el tanque solicitado por el cliente tiene que ser de 30000 L;

Tenemos que:

Volumen del tanque*= 30000 – 1989.25 = 28010.75 L

Es decir que 28010.75 L, son los que faltan para cumplir con lo solicitado del

cliente.


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42

Dónde: V = 28010.75 L = 1709321.28 in ³

π = 3.1416

r= Radio interno = 38.75 in

h= Es la altura a calcular

(En este caso es la longitud del cilindro)

2.6.2. CÁLCULO DEL VOLUMEN DE LA SECCIÓN CILINDRICA (CUERPO).

Para el cálculo del volumen del cilindro lo podremos determinar de una manera

muy sencilla, partiendo de que se tienen datos que son útiles en la aplicación de

una sencilla formula del volumen del cilindro (Figura 19).

Figura 19: Volumen del cilindro.

Despejando la variable h, tenemos;

= h= 362.35 in (Longitud del cilindro).

*De esta manera, se complementa el cálculo del volumen solicitado por el

cliente;

= 30000 L

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRxqFQoTCNm344mykMYCFQmRDQodtg8AWA&url=http://portageo4.blogspot.com/2012/02/volumen-de-un-cilindro.html&ei=WBV-VdmrK4miNrafgMAF&psig=AFQjCNFQcMS8Tszpfyuq2LfNqlQngevH5g&ust=1434412682301096




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43

2.7. CÁLCULO DE LA LONGITUD TOTAL DEL RECIPIENTE (CÁPSULA).

t = 0.375 [

] = 9.52 mm (Espesor nominal de Cabeza).

= 19.75 in.

= 10206.9 mm

Figura 20: Longitud de Capsula del tanque.

Profundidad interna de la

cabeza:

492.1 mm 19.375 in

H

𝐿𝐶

H

𝐿𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜


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44

2.8. CÁLCULO DEL PESO DEL RECIPIENTE (VACIO).

2.8.1. CÁLCULO DEL PESO DE LAS CABEZAS (TAPAS).

Para el cálculo del peso de las cabezas (tapas), primero determinaremos el área

de estas, para poder así, darle pauta al cálculo.

*Nota: Se utilizaran las tablas para determinar el área de la cabeza elipsoidal

(Semielíptica), del Manual de recipientes a presión de Eugene Megyesy, (Pag.

411).

Tabla 7: Tabla para determinar el área de la cabeza elipsoidal (Semielíptica).

1 Cabeza = 46 ft ² = 6623.99 in ²

Área (1 Cabeza)= 6623.99 in ²


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45

Dónde: S = Superficie (en pulgadas) ²

π = 3.1416

d= Diámetro interno (cilindro) = 77.5‖

h= Longitud del cilindro = 362.35‖

*Para el cálculo del Peso de la cabeza

Se utiliza la siguiente formula;

Peso teórico del acero: (1 in³)

1 in³ = 0.2833 lb

1 in³ = 0.13 kg

t = 0.375 [

] = 9.52 mm (Espesor nominal de Cabeza).

2.8.2. CÁLCULO DEL PESO DE LA SECCIÓN CILINDRICA (CUERPO).

Para el cálculo del peso de la sección cilíndrica (cuerpo), primero

determinaremos el área de este, para poder así, darle pauta al cálculo.

*Tenemos datos suficientes para calcular el área de la superficie cilíndrica;

*Para el cálculo del Peso del cilindro

Se utiliza la siguiente formula;


UNIDAD AZCAPOTZALCO

46

Peso teórico del acero: (1 in³)

1 in³ = 0.2833 lb

1 in³ = 0.13 kg

t = 0.4375 [

] = 11.11 mm (Espesor nominal del Cilindro).

***PESO TOTAL DEL RECIPIENTE VACIO (Cápsula)

*Nota: Para tener un peso más aproximado del peso real del tanque (vacío),

agregamos un 6 % en base al peso ya obtenido, esto es considerando los

accesorios, tales como boquillas, registros pasa hombre, orejas de izaje,

excedentes de material, etc.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

47

*Tomando en cuenta la densidad del agua tenemos; 1 m³ = 999.97 kg

Entonces: 30 m³ = 29999.1 kg

2.9. CÁLCULO DEL PESO DEL RECIPIENTE (CON AGUA).

Para el cálculo del peso del recipiente, para fines de cálculo, se considerará con

―agua‖ (Figura 21), ya que este líquido es un poco más denso que el metanol

(Figura 22), liquido con el que fue diseñado a almacenar.

Figura 21: Densidad del agua (Temperatura ambiente).

Figura 22: Densidad del metanol (Temperatura ambiente).

***PARA EL PESO FINAL DEL RECIPIENTE;


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48

2.10. ANILLOS ATIESADORES.

Los anillos atiesadores son perfiles estructurales soldados a la envolvente que

evitan deformaciones en las placas de los anillos del tanque, originadas por la

carga de viento, para mantener su redondez cuando el tanque está sometido a

cargas por viento (Figura 23).

Figura 23: Localización de los anillos atiesadores en el tanque.

*Anillos atiesadores para recipiente encamisado: UG-29 (f).


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49

2.10.1. CÁLCULO DEL ANILLO ATIESADOR.

1.- Seleccionamos el tipo de anillo atiesador más económico de acuerdo con los

mostrados en la en la Figura 24 y calculamos sus áreas As.

Figura 24: Tipos de anillos.

Seleccionamos el tipo de anillo del inciso ―A‖ y proponemos las medidas del perfil

mostradas en la Figura 25.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

50

Material: SA-36

(Acero estructural)

Figura 25: Medidas del perfil (Propuestas).

2.10.1.1. CÁLCULO DEL ANCHO EFICAZ.

*ANCHO EFICAZ DEL CASCO QUE RESISTE EL MOMENTO FLEXIONANTE CIRCUNFERENCIAL.

√

√

Dónde: R = Radio exterior del cuerpo (in) = 39 in

𝑑 = Espesor del cuerpo (in) = 0.4375 in

𝑑 = 3 in

𝑏 = 5.7 in

𝑏 = 0.5 in


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51

2.10.1.2. CÁLCULO DE LOS MOMENTOS DE INERCIA (Ig).

Para área 1:

Para área 2:

Tabla 8: Cálculo de Áreas y secciones para el momento de inercia.

Área (a) y (a)y h h² (a) h²

1 2.493 0.1875 0.467 0.690 0.4761 1.186 0.039

2 1.5 1.870 2.805 0.995 0.990 1.485 1.125

Total: A=3.993 AY=3.272 AH²=2.671 Ig=1.164

2.10.1.3. CÁLCULO DEL EJE NEUTRO DEL ANILLO.

* DISTANCIA DEL EJE NEUTRO DEL ANILLO ATIESADOR A LA PARTE EXTERIOR DEL RECIPIENTE.


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52

Dónde: L = Longitud del cilindro (in) = 362.35 in

𝐷𝑂 = Diámetro externo del cilindro (in) = 78 in

𝑡 = Espesor del cuerpo (in) = 0.4375 in

As= Área transversal del anillo propuesto (in²) = 3.993 in²

A = Factor que será calculado a continuación

2.10.1.4. MOMENTO DE INERCIA DEL ANILLO.

* MOMENTO DE INERCIA DEL ANILLO ATIESADOR Y EL ÁREA EFECTIVA DEL CUERPO.

El momento de inercia calculado del anillo atiesador, no deberá ser menor que el

determinado por una de las siguientes ecuaciones:

(

)

Ó

(

)

Es decir; si el momento de inercia calculado anteriormente es el correcto, se debe

cumplir con esta condición:

P = Presión de diseño del recipiente (psi) = 100 psi

Para calcular el factor ―A‖, aplicamos el siguiente procedimiento:

I.- Calculamos el factor ―B‖, con la siguiente ecuación.

*

+


UNIDAD AZCAPOTZALCO

53

II.- Entramos a la gráfica en la Figura 26, con la relación, Longitud/Diámetro

exterior (L/Do) y Diámetro exterior/Espesor del cuerpo (Do/t).

⁄

⁄

III.- Desde esta intersección nos desplazamos en forma horizontal hacia la

izquierda y encontrar el valor de “A”.

Figura 26: Grafica para obtener el valor de ―A‖.

4.64

178.28

A=0.000019


UNIDAD AZCAPOTZALCO

54

*Cuando el valor de ―B‖ resulte menor a 2.500, ―A‖ debe calcularse por la

ecuación:

Una vez obtenido el valor del factor ―A‖, se hace la comprobación antes

mencionada.

(

)

Ó

(

)

Se debe cumplir con esta condición:

( ) (

)

( ) (

)

De esta se forma se cumple con la condición:

NOTA: Si el momento de inercia del anillo, o de la combinación del anillo con la

sección del cuerpo es mayor que el momento de inercia requerido, el

atiesamiento del cuerpo es adecuado, en caso contrario, debemos proponer un

anillo atiesador con un momento de inercia mayor, o debemos incrementar el

número de anillos para disminuir el valor de L.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

55

2.10.1.5. CÁLCULO DE LA PRESIÓN EXTERNA DE TRABAJO.

*Con el valor de ―B‖, podemos calcular la máxima presión exterior de trabajo con

la siguiente ecuación:

(

)

(

)

2.11. DISEÑO Y CÁLCULO DE SOPORTES (SILLETAS).

El método de diseño de soportes para recipientes cilíndricos horizontales, está

Basado en el análisis presentado por L.P. Zick en 1951.

El Código A.SM.E. Publicó el trabajo de L.P. Zick, (Pressure Vessel and Piping

desingn), como un método recomendable. El Estándar A.P.I. 2510, también

recomienda el análisis de L.P. Zick. El estándar Británico 1515 adoptó este método

con ligeras modificaciones, el trabajo de L.P. Zick ha sido utilizado también en

diferentes estudios y publicaciones en varios libros y revistas técnicas de varios

países.

El método mostrado a continuación está basado en el análisis mencionado

anteriormente (Pressure Vessel and piping design and análisis A.S.M.E.,1972).

Un recipiente horizontal soportado en silletas se comporta como una viga

Simplemente apoyada con las siguientes consideraciones:

1.- Las condiciones de carga son diferentes cuando consideramos el recipiente

total o parcialmente lleno.

2.- Los esfuerzos en el recipiente son función del ―ángulo de agarre‖ de las silletas.

3.- Las cargas generadas por el peso propio del recipiente están combinadas con

otras cargas.


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56

2.11.1. CARGAS A CONSIDERAR.

REACCIÓN EN LAS SILLETAS.

Se recomienda calcular las reacciones en las silletas, considerando el peso del

Recipiente lleno de agua.

PRESIÓN INTERNA.

Ya que el esfuerzo longitudinal en los recipientes es sólo la mitad de los esfuerzos

circunferenciales, aproximadamente la mitad del espesor del envolvente, nos

sirve para soportar la carga debida al peso del equipo.

PRESIÓN EXTERNA.

Si el recipiente no ha sido diseñado para soportar vacío total, porque se espera

que el vacío ocurra solamente en condiciones accidentales, se deberá instalar

una válvula rompedora de vacío, especialmente cuando la descarga del

recipiente esté conectada a una bomba.

CARGAS DEL VIENTO.

Cuando la relación t/r es muy pequeña en recipientes a presión, están expuestos

a sufrir distorsión debida a la presión ejercida por el viento. De acuerdo con el

Método de Zick, las experiencias indican que un recipiente diseñado para

soportar una presión exterior de 1 lb/in²., tendrá la resistencia suficiente para

soportar las cargas externas a las que será sometido en condiciones de operación

normales.

CARGAS POR IMPACTO.

La experiencia nos ha demostrado que durante el embarque y transporte de los

recipientes a presión, pueden sufrir daños, debidos a los golpes recibidos.

Debemos tener esto en mente al diseñar el ancho de las silletas y las dimensiones

de las soldaduras.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

57

2.11.2. CARACTERÍSTICAS Y DIMENSIONES DE LAS SILLETAS.

Desde el punto de vista estético y económico, es preferible el uso de dos silletas

únicamente y esto es posible mediante el uso de anillos atiesadores en el

recipiente, cuando usamos más de dos silletas como soporte, corremos el riesgo

de que algunas de ellas se ―sienten‖ y en vez de ayudarnos a soportar el equipo,

los soportes serán soportados por éste, involucrando cargas que originalmente no

habíamos considerado.

La localización de las silletas está determinada algunas veces por la posición de

boquillas o sumideros en el fondo del recipiente, si este no es nuestro caso, las

silletas deberán ser localizadas en el lugar óptimo desde el punto de vista

estético.

En recipientes cuyo espesor de pared sea pequeño y su diámetro relativamente

grande, se recomienda localizar los soportes cerca de las líneas de tangencia de

las tapas, con el fin de utilizar éstas como atiesadores. El lugar óptimo para

localizar las silletas en este tipo de recipientes, es aquel en el cual los momentos

flexionantes resultantes son iguales tanto en los puntos donde están localizadas las

silletas como en el centro de la distancia entre ellas, la localización de estos

puntos es función del ángulo de agarre de las silletas. Al localizar las silletas, se

recomienda que la distancia entre la línea de tangencia de las tapas y la silleta,

nunca sea mayor de 0.2 veces la longitud del recipiente (L).

En la Tabla 9 y Figura 27, se muestran algunas características y dimensiones

recomendadas para las silletas, de acuerdo al Diámetro (78 in).

Tabla 9: Características y dimensiones de las silletas del recipiente.*

*Referencia tomada del libro ―Diseño y Cálculo de Recipientes a Presión‖, del Ing. Juan Manuel

Estrada.

CARACTERÍSTICAS:

Diámetro del recipiente

(in)

Carga máxima

para 2 soportes

(lb)

Peso de un soporte

(lb)

Cartabones

intermedios

78 100211.05 352.74 2

*********

DIMENSIONES EN PULGADAS

A1 B C D E F G H J K

Ancla

Barren

o

Barreno

Ovalado

Filete de

Soldadura

46 8 69 5/8 9 31 71 1/2 17 3/8 7/8 1 1/8 1-1/8x1-3/4 3/8


UNIDAD AZCAPOTZALCO

58

Figura 27: Puntos y Dimensiones en la silleta.


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59

2.11.2.1. ÁNGULO DE AGARRE O CONTACTO.

El valor del mínimo ángulo de contacto entre la silleta y el cuerpo es sugerido por

el Código A.S.M.E. con una magnitud de 120°, con excepción de recipientes muy

pequeños. Cuando diseñamos un cuerpo cilíndrico para soportar presión externa

sin anillos atiesadores, el ―ángulo de agarre‖ es mandatorio y está limitado por el

Código A.S.M.E. a un valor de 120°.

2.11.3. ESFUERZOS.

Cuando se diseña algún recipiente, uno de los principales parámetros que se

debe de tomar en cuenta es si dicho recipiente soportara las condiciones de

trabajo para las cuales fue diseñado, por lo que es importante seleccionar

adecuadamente los materiales que se emplearan en su construcción, con la

finalidad de que no falle por resistencia (no se sobrepase el esfuerzo de trabajo

de material utilizado) o por rigidez (no se sobrepase las deformaciones máximas

permitidas). La determinación de los esfuerzos que se generan en los elementos

mecánicos al aplicárseles cargas externas o manufacturarlos, es de vital

importancia, dado que estos esfuerzos pueden originar que falle el elemento o su

funcionamiento no sea adecuado.

Para poder determinar, los esfuerzos que se generan en cualquier cuerpo al ser

sometido a fuerzas externas es necesario en primera instancia que se defina lo

que se denomina como esfuerzo.

En ingeniería, el esfuerzo se define como la fuerza resultante de una distribución

de tensiones internas sobre un área específica. Existiendo dos tipos de esfuerzo, el

esfuerzo normal y el esfuerzo cortante.

Para entender un poco más esto, tomemos en consideración un cuerpo en el

espacio el cual se encuentra sometido a una serie de fuerzas y en equilibrio

estático (Figura 28).

Figura 28: Cuerpo en equilibrio.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

60

Se procede a realizar un corte por el el plano m-m y separar las dos partes

resultantes. Al realizar esto, ninguna de las dos secciones que se obtienen se

encuentra en equilibrio estático por lo que se tendrán que equilibrar, para esto

analizaremos la parte izquierda que se obtiene, en la cual cuando se realiza el

corte aparece el área 𝐴, en esta área para lograr el equilibrio estático aparece la

fuerza , teniendo esta una componente paralela o tangente al área, que se

representa con la letra 𝑡 y otra perpendicular o normal al área definida con la

letra 𝑛 , como se muestra en la Figura 29.

Figura 29: Fuerzas; Normal y Tangencial.

2.11.3.1. ESFUERZO NORMAL O AXIAL.

El esfuerzo normal es el que se obtiene de la resultante de tensiones normales ―σ”

(sigma), es decir, se tiene la componente normal 𝑛 de , la cual es perpendicular

al área 𝐴.

Por lo que se tendrá:

Dónde:

σ = Esfuerzo normal [N/ m²] ó [lb/ in²].

𝑃 = Fuerza aplicada de forma perpendicular a la superficie [N] ó [lb].

𝐴 = Área de la sección en donde se aplicara la fuerza [m²] ó [in²].


UNIDAD AZCAPOTZALCO

61

El esfuerzo normal puede actuar a tensión o compresión, en la Figura 30 se

observa una barra rectangular, la cual es sometida a cargas axiales de tensión y

compresión, lo cual genera esfuerzos normales.

Figura 30: Esfuerzo Normal.

2.11.3.2. ESFUERZO TANGENCIAL O CORTANTE.

El esfuerzo cortante o tangencial es el que se obtiene de la resultante de

tensiones cortantes 𝝉 (tau), es decir, se tiene la componente tangencial 𝑡 de , la

cual es paralela al área 𝐴. Por lo que se tendrá:

𝝉

Dónde:

𝜏 = Esfuerzo Cortante o tangencial [Pa] [psi].

𝑉= Fuerza aplicada de forma tangencial a la superficie [N] ó [lb].

𝐴 = Área de la sección en donde se aplicara la fuerza [m²] ó [in²].

El esfuerzo cortante se puede observar en dos placas unidas mediante un perno

las cuales son sometidas a una fuerza 𝑃, estas cargas originan que en el perno

exista un área en la cual actuaran fuerzas 𝑉 en direcciones opuestas lo que

puede ocasionar el corte del perno en esta área (Figura 31)


UNIDAD AZCAPOTZALCO

62

Figura 31: Esfuerzo Cortante.

2.11.3.3. DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS EN EL ESPACIO.

Para poder explicar mejor los conceptos de los tipos de esfuerzos, es necesario

tomar en consideración que los esfuerzos en un cuerpo se pueden generar en los

tres planos (en el espacio) y que para facilitar el análisis, solo se determinan

comúnmente en un plano.

Debido a que los esfuerzos normales y cortantes pueden actuar en las tres

direcciones posibles (x, y, z), el elemento diferencial será un elemento diferencial

volumétrico.

En la Figura 32, cada una de las caras se puede considerar como una diferencial

de área, tomando las caras el nombre del eje al cual son perpendiculares, si se

aplican fuerzas perpendiculares a esta caras se generan los esfuerzos normales (

𝜎𝑥, 𝜎𝑦, ,𝜎𝑧 , ), indicándose con el subíndice la cara a la cual es perpendicular y las

fuerzas que son tangentes a la cara elemento generan esfuerzos cortantes (𝜏𝑥𝑦,

𝜏𝑦𝑥, 𝜏𝑥𝑧, 𝜏𝑧𝑥, 𝜏𝑧𝑦 ,𝜏𝑦𝑧), indicándose con dos subíndices donde el primero

representa la cara sobre la que actúa y el segundo la dirección de este.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

63

Figura 32: Esfuerzos en el espacio.

En condiciones simples, los Esfuerzos se distribuyen de manera uniforme en el

dominio de un objeto estructural. Por ejemplo en una placa plana con fuerzas

uniformes tiene un campo de esfuerzos casi constante.

Esta distribución uniforme probablemente no se dará nunca exactamente, a

consecuencia de la orientación caprichosa de los granos cristalinos de que está

compuesta la placa.

El valor exacto de la fuerza que actúa en cada elemento de la sección

transversal del elemento analizado, es función de la naturaleza y la orientación de

la estructura cristalina en ese punto, pero para el conjunto de esta sección la

hipótesis de una distribución uniforme da una exactitud aceptable desde el punto

de vista de la ingeniería.

2.11.3.4. CONCENTRACIÓN DE ESFUERZOS.

La concentración de esfuerzos se define, como un incremento brusco en la

intensidad del esfuerzo que se produce en un punto de discontinuidad

geométrica de un elemento sometido a carga, siendo los esfuerzos en estas

discontinuidades considerablemente mayores que el promedio. Esta

discontinuidad geométrica puede ser el cambio en la sección transversal en una

flecha o las ranuras para chavetas en la misma.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

64

En muchos casos los componentes estructurales y partes de máquinas son

analizados utilizando formulaciones elementales simples, y en la mayoría de los

casos esto es permisible, desafortunadamente, debido a la geometría de ciertos

componentes, los esfuerzos en puntos particulares pueden ser mucho más altos

que los esperados. En estos casos se tienen concentraciones de esfuerzos

originadas por las discontinuidades del material, por lo tanto un diseño basado en

esfuerzos lineales promedio tiene sus limitaciones

Para examinar el campo de esfuerzos de este tipo de elementos el diseñador

debe recurrir a métodos experimentales: fotoelasticidad y extensómetria, o

computacionales: elemento finito (Figura 33).

Figura 33: Concentración de esfuerzos presentes en una silleta analizados

mediante elemento finito.

Los principales aspectos que se deben de tomar en cuenta al realizar un análisis

de concentración de esfuerzos son:

1. El valor del esfuerzo máximo que se alcanza en la zona de concentración. El

factor de concentración de esfuerzos, mide este aspecto. A menudo es el único

aspecto que se tiene en cuenta en las normas o códigos. El esfuerzo puede ser un

valor alto pero finito. Hay problemas en los que el esfuerzo en algún punto sube

tendiendo a infinito.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

65

2. La zona de concentración de esfuerzos. En algunos problemas la zona abarca

un área que tiende a cero, de manera que los esfuerzos tienden a infinito

localmente. Eso produce una singularidad. En otros problemas la zona de

concentración es bastante extendida, y puede producir redistribuciones

importantes que comprometen el equilibrio.

3. El gradiente de esfuerzos que se produce. El gradiente es la tasa de incremento

del esfuerzo a medida que nos acercamos al origen de la concentración de

esfuerzos. Una fuente de concentración de esfuerzos produce redistribución de

estos, con respecto a la distribución que existiría si no estuviera esa fuente. Puede

haber un gradiente suave de esfuerzos altos, típico de problemas que se

extienden sobre zonas grandes. En otros problemas el gradiente es muy alto,

típico de problemas que tienen singularidades.

2.11.3.5. IMPORTANCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE ESFUERZOS.

En el diseño de elementos mecánicos, es importante tomar en consideración las

concentraciones de esfuerzos que se puedan generar en las piezas diseñadas,

debido a las siguientes condiciones que se pueden presentar.

Los esfuerzos mismos pueden producir plasticidad del material, es decir que el

material trabaje fuera del límite elástico, lo cual impacta directamente en el

comportamiento de las propiedades de dicho material.

Esta concentración de esfuerzos puede originar la rotura frágil del material.

Cuando existen cargas repetidas se puede acelerar el proceso de fatiga.

Acelera la corrosión química de un material.

2.11.3.6. ESFUERZOS RESIDUALES.

Los esfuerzos residuales son los que se presentan cuando se aplica un efecto

externo (fuerza, desplazamiento o gradiente de temperatura) y posteriormente se

elimina este efecto externo, pero al haber sobrepasado el material su zona

elástica aunque ya no se tenga este efecto externo quedan pequeñas

deformaciones y esfuerzos. La importancia de estos reside en el papel

fundamental que desempeñan en las fallas originadas por fatiga, fractura y

corrosión entre otras.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

66

Dónde: L = Longitud del cilindro (in)

H = Altura externa de la tapa (in)

𝑡ℎ= Espesor de la tapa (in)

A= Distancia entre la línea de tangencia de las tapa y la silleta (in)

𝑡𝑆 = Espesor del cuerpo (in)

b= Ancho de la silleta (in)

R= Radio exterior del cilindro (in)

θ= Ángulo de agarre [Grados] (°)

*Dato adicional: Q= Carga en una silleta (lb)

Los esfuerzos residuales son producidos por deformaciones plásticas

heterogéneas, contracciones térmicas y transformaciones de fase inducidas por

procesos de manufactura.

Térmicamente se originan por expansiones o contracciones no uniformes y

en ausencia de transformaciones de fase.

Químicamente se originan por cambios de volumen por reacciones

químicas, precipitaciones o transformaciones de fase. Un ejemplo de estos

son, lo originados por la nitruración o la carbonización.

El origen mecánico es por la deformación plástica no uniforme, que

genera esfuerzos residuales comúnmente no deseados.

2.11.4. ESFUERZOS PRESENTES EN LAS SILLETAS.

Los recipientes cilíndricos horizontales soportados por medio de silletas, están

sometidos a los siguientes tipos de refuerzos:

1.- Esfuerzos longitudinales por Flexión.

2.- Esfuerzos de Corte Tangenciales.

3.- Esfuerzos Circunferenciales.

En las Figura 34, se muestran los puntos ubicados en el tanque que son los que nos

permitirán calcular los esfuerzos en las silletas.

Figura 34: Puntos ubicados en el tanque.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

67

* Para la localización y la distancia de A tenemos la condición de que A no tiene

que exceder el valor equivalente y no mayor a 0.2L, es decir el 0.2 de la longitud

del cilindro.

** Para el valor del ángulo mínimo de contacto entre la silleta y el cuerpo se

tomara el sugerido por Código A.S.M.E. con una magnitud de 120°.

*** En un recipiente horizontal soportado en silletas, su comportamiento es similar a

una viga simplemente apoyada, es por ello que se divide el peso final del

recipiente entre 2 soportes (silletas) y esto nos dará como resultado, la carga

soportada en una silleta.

De las condiciones anteriores obtenemos los datos necesarios para iniciar los

cálculos.

Entonces tenemos;

Dónde: L = 362.35 in

H = 19.75 in

𝑡ℎ= 0.375 in

*A=

𝑡 = 0.4375 in

R =

**θ= 120 °

*** Q =


UNIDAD AZCAPOTZALCO

68

2.11.4.1. VALORES DE LA CONSTANTE “K”.

En las Figuras 35 y 36 respectivamente, se muestran los valores de K1 a K8 y en la

Tabla 10, se tabulan los valores de K9 y K10, en los cuales se deberán hacer

interpolaciones para valores intermedios.

NOTA: Todos los valores de ―K‖ son en relación al ángulo de agarre de 120 °.

Figura 35: Valores de la constante ―K‖.

*NOTA: Para el valor de K3, para cualquier ángulo de contacto el valor será de

0.319 y para el valor de K6, ver Figura 36.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

69

Figura 36: Valor de la constante ―K6‖.

A/R

72.47/39 = 1.85

K6=0.053


UNIDAD AZCAPOTZALCO

70

Tabla 10: Valores de K9 y K10.

ÁNGULO DE CONTACTO

120° 130° 140° 150° 160° 170° 180°

K9 0.34 0.33 0.32 0.30 0.29 0.27 0.25

K10 0.053 0.045 0.037 0.032 0.026 0.022 0.017

En las Figuras 37, 38,39, se muestran las ecuaciones, para hacer el análisis de los

esfuerzos generados en el cuerpo de un recipiente cilíndrico horizontal soportado

por medio de dos silletas. Los valores positivos obtenidos en las ecuaciones

mostradas en las Figuras 37,38,39, indican que se trata de esfuerzos a tensión y los

valores de signo negativo nos indican que son elementos que trabajan a

compresión, ―E‖ nos representa el Módulo de Elasticidad del material del cuerpo o

anillo atiesador en lb/in².


UNIDAD AZCAPOTZALCO

71

2.11.4.2. ESFUERZOS LONGITUDINALES POR FLEXIÓN.

(ESFUERZO FLEXIONANTE LONGITUDINAL)

1.- El máximo esfuerzo longitudinal S1 puede ser de tensión o compresión.

2.- Cuando se calcule el esfuerzo a la tensión, en la ecuación de S1, debemos

usar el valor de K1 en vez del factor K.

3.- Cuando se calcule el esfuerzo a compresión en la ecuación de S1, debemos

usar el valor de K8 en vez del factor K.

4.- Cuando se usen anillos atiesadores en el cuerpo, el valor de K será igual a

3.14 en la ecuación para S1.

5.- Cuando la relación t/R sea mayor o igual a 0.005 en un recipiente de acero, el

esfuerzo de compresión no se deberá tomar en consideración y el recipiente será

diseñado para trabajar solamente a presión interna.

6.- Si el valor del esfuerzo máximo permisible es excedido por el valor de

S1, se deberán usar anillos atiesadores en el cilindro del recipiente (Figura 37).

Figura 37: Cálculos para los esfuerzos longitudinales por flexión.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

72

Donde: L = 362.35 in

H = 19.75 in

A = 72.47 in

R = 39 in Q= 39609.6 lb

S = 0.4375 in

K = 0.335


H = 19.75 in

A = 72.47 in

R = 39 in Q= 39609.6 lb

S = 0.4375 in

𝜋 = 3.1416

2.11.4.2.1. CÁLCULO DE LOS ESFUERZOS LONGITUDINALES POR FLEXIÓN.

(ESFUERZO FLEXIONANTE LONGITUDINAL S1)

CONDICIÓNES PRINCIPALES:

Cuerpo reforzado por tapas o anillos.

Cuerpo sin reforzar.

En ambos casos, son aplicables las siguientes formulas:

ESFUERZO EN LAS SILLETAS, S1 (CON ):

(

)

(

)

ESFUERZO EN EL CENTRO (MITAD DEL CLARO):

(

)

(

)


UNIDAD AZCAPOTZALCO

73

MAXIMO ESFUERZO PERMISIBLE (PARA S1):

(Esfuerzo Máximo Permitido)

CONDICIÓN: A LA TENSION, La suma de S1 y el esfuerzo debido a la presión interna

(PR/2ts), no debe ser mayor que el esfuerzo permitido del material del casco

multiplicado por la eficiencia de la junta circunferencial (Ver datos en Tabla 11).

S

Tabla 11: Datos de la sección cilíndrica (Casco).

Entonces:

√ Se cumple con esta condición.

PARED DEL CILINDRO (CASCO) Material: M SA- 285 ―C‖

JUNTA CIRCUNFERENCIAL


Radiografiado: RX

Radiografiado

Total

Radiografiado por



Circunferencial (Esfuerzo

Longitudinal):

0.65







UNIDAD AZCAPOTZALCO

74

2.11.4.3. ESFUERZOS DE CORTE TANGENCIALES.

(ESFUERZO CORTANTE TANGENCIAL)

1.- Si se utilizan placas de respaldo en las silletas, el valor de la suma del espesor

del cuerpo más el espesor de la placa de respaldo, deberá ser utilizado como ts,

en las ecuaciones para calcular S2, haciendo que la placa de respaldo se

proyecte R/10 sobre el extremo de la silleta y hacia los lados de la misma (Figura

38).

2.- En recipientes sin anillos atiesadores, el máximo esfuerzo cortante se presenta

en la parte superior de las silletas. Cuando la tapa es usada como anillo atiesador,

colocando las silletas cerca de las tapas, el esfuerzo de corte tangencial puede

causar un esfuerzo adicional en las tapas (S3). Este esfuerzo debe considerarse

sumándolo al causado por la presión interna en las tapas.

3.- Cuando se usan anillos atiesadores, el máximo esfuerzo cortante se presenta

en la parte central del recipiente.

Figura 38: Cálculos para los esfuerzos de corte tangenciales.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

75

Donde:

A = 72.47 in

R/2 = 19.5 in


H = 19.75 in

A = 72.47 in

R = 39 in Q= 39609.6 lb

S = 0.4375 in

K = 1.171


H = 19.75 in

A = 72.47 in

R = 39 in Q= 39609.6 lb

S = 0.4375 in

K = 0.319

2.11.4.3.1. CÁLCULO DE LOS ESFUERZOS DE CORTE TANGENCIALES.

(ESFUERZO CORTANTE TANGENCIAL S2)


Silletas lejanas a las tapas: A > R/2

Silletas cercanas a las tapas: A ≤ R/2

Entonces, la condición se cumple en: A > R/2

Por lo tanto, las formulas aplicables, son las siguientes:

ESFUERZO EN EL CUERPO, S2 (CON K ):

Aplicando la formula con el factor K , solo cuando no se usa anillo o si los anillos

están cercanos a la silleta.

(

⁄)

(

(

))

ESFUERZO EN EL CUERPO, S2 (CON K ):

Aplicando la formula con el factor K , si se usa un anillo en el plano de la silleta.

(

⁄)

(

(

))


UNIDAD AZCAPOTZALCO

76



CONDICIÓN: S2, No deberá exceder en más de 0.8 veces del esfuerzo permisible

del material del recipiente (Ver datos en tabla anterior, Tabla 11).

Entonces:

*


*



UNIDAD AZCAPOTZALCO

77

2.11.4.4. ESFUERZOS CIRCUNFERENCIALES.

(ESFUERZO CIRCUNFERENCIAL)

1.- Si se utilizan placas de respaldo en las silletas, se puede usar el valor de la suma

del espesor del cuerpo más el espesor de la placa de respaldo como ts, en las

ecuaciones para calcular S4 y para el valor de ts², se deberá tomar la suma de los

cuadrados de los espesores, tanto del cuerpo como de la placa de respaldo y se

deberá dar a ésta una proyección R/10 sobre la parte superior de la silleta,

además de que deberá cumplir con la relación A< R/12. Los esfuerzos

combinados circunferenciales en la parte superior de la placa de respaldo,

deberán ser checados cuando se efectúe este chequeo tomaremos:

ts = Espesor del envolvente.

b = Ancho de la silleta.

θ = Ángulo central de la placa de respaldo, el cual nunca será mayor que el

ángulo de la silleta más 12°.

2.- Si se usa placa de respaldo en las silletas, el valor de ts, usado en la fórmula

para obtener S5, puede ser tomado como la suma de los espesores del cuerpo y

la placa de respaldo, siempre y cuando ésta tenga un ancho mínimo igual a:

√ 𝑡

3.- Si el cuerpo no tiene anillo atiesador, el máximo esfuerzo se presentará en la

parte superior de la silleta y su valor no se deberá agregar al esfuerzo producido

por la presión interna.

4.- En un cilindro equipado con anillos atiesadores, los máximos valores del

esfuerzo a compresión se presentan en el fondo del cuerpo.

5.- Si el esfuerzo circunferencial excede del máximo permisible según la Figura 39,

se deberán usar anillos atiesadores.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

78

Figura 39: Cálculos para los esfuerzos circunferenciales.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

79

Donde:

L = 362.35 in

8R = 312 in

Donde: Q= 39609.6 lb.

R = 39 in

b= 8 in

(Ancho de la silleta)

S = 0.4375 in

K = 0.053

2.11.4.4.1. CÁLCULO DE LOS ESFUERZOS CIRCUNFERENCIALES.

(ESFUERZO CIRCUNFERENCIAL)


Sin atiesadores:

L ≥ 8R

L < 8R

Con o sin atiesador

Entonces, la condición se cumple en: L ≥ 8R

Por lo tanto, las formulas aplicables, son las siguientes:

ESFUERZO EN UNION CON LA SILLETA, S4 (CON K ):

( √ )

( √ )



CONDICIÓN: S4, No deberá exceder 1.5 veces al esfuerzo permisible del material

del cuerpo (Ver datos en tabla anterior, Tabla 11).

Entonces:

*



UNIDAD AZCAPOTZALCO

80

Donde: Q= 39609.6 lb.

R = 39 in

b= 8 in

(Ancho de la silleta)

S = 0.4375 in

K = 0.760

ESFUERZO EN LA PARTE INFERIOR DEL CUERPO, S5 (CON K ):

( √ )

( √ )



CONDICIÓN: S5, No deberá exceder 0.5 veces al punto de cedencia del material

del cuerpo (Ver datos en tabla anterior, Tabla 11).

Entonces:

*



UNIDAD AZCAPOTZALCO

81

Donde: Q= 39609.6 lb.

R = 39 in

A = 72.47 in

I = 3.835

c = 0.819 in

K = 0.34

K = 0.053

Dónde:

I = Momento de Inercia ( ).

c = Eje neutro del anillo (in).

2.11.4.5. CÁLCULO DEL ESFUERZO MÁXIMO COMBINADO.

De acuerdo a los datos anteriores, se calcula el esfuerzo máximo combinado con

información que ya tenemos, recordemos que ya seleccionamos y calculamos el

tipo de anillo y su momento de inercia (Figura 40).

Figura 40: Tipo de anillo seleccionado.

Por lo tanto, la formula aplicable, es la siguiente:

ESFUERZO EN EL ANILLO INTERIOR, S6 (CON K y K ):

K

⁄

⁄


UNIDAD AZCAPOTZALCO

82



CONDICIÓN: S6, A compresión, 0.5 veces el punto de cedencia del material del

casco o del anillo, el que sea menor (Ver datos en tabla anterior, Tabla 11).

Entonces:

*

(El que resulte menor).


UNIDAD AZCAPOTZALCO

83

Donde: Q= 39609.6 lb.

R = 39 in

t = 0.5 in

K = 0.204

2.11.5. ÁREA EFECTIVA DE LA PLACA DE LA SILLETA.

(Ver Figura 41)

Figura 41: Área efectiva de la placa de la silleta.


La sección más baja de la silleta deberá resistir la fuerza horizontal ―F‖.

La sección transversal efectiva de la silleta, que resistirá esta carga, estará

a un tercio del radio del recipiente (R).

El promedio de los esfuerzos, no excederá a dos tercios del esfuerzo a la

tensión permisible del material. (En este caso las silletas son de acero

estructural, SA-36)

Nota: Para el espesor de la placa del alma (t), ver Tabla 9.

Entonces tenemos que:

K

(

)

⟨

⟩


UNIDAD AZCAPOTZALCO

84

K

(

)

(

)

⟨

⟩

Para acero estructural SA-36, (Ver Tabla 12).

Tabla 12: Datos del material ―SA-36‖.

⟨

⟩

CONDICIÓN:


Por lo tanto; el espesor de la placa del alma, es satisfactorio para soportar

la carga ―F‖.

MATERIAL (SA-36) Material: M SA- 36






UNIDAD AZCAPOTZALCO

85

2.12. EXPANCIONES Y CONTRACCIONES EN EL RECIPIENTE.

Algunos recipientes cilíndricos horizontales nos sirven para almacenar fluidos

calientes o fríos, este incremento o decremento en la temperatura del recipiente

origina dilataciones o contracciones en él.

Con el objeto de absorber las dilataciones y expansiones (Figura 42), debidas a los

cambios de temperatura en recipientes cilíndricos horizontales, es necesario

permitir el deslizamiento de una de las silletas, preferentemente la que esta

opuesta a las conexiones de tubería principales.

Figura 42: Expansión y Contracción en el recipiente.

En la Figura 43 se muestran los puntos en el recipiente y de ahí se obtendrá la

distancia entre silletas.

Figura 43: Puntos en el recipiente.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

86

Dónde: L = 362.35 in

Recordemos que para calcular ―A‖, es por medio de la siguiente ecuación:

Entonces para determinar la distancia entre silletas, será por medio de la

ecuación siguiente:

En esta silleta se deberán practicar ranuras en lugar de barrenos.

La longitud de las ranuras deberá determinarse de acuerdo a las dilataciones

térmicas esperadas.

En la Tabla 13, se muestra la longitud mínima de la ranura, la dimensión ―a‖, fue

calculada para absorber las dilataciones térmicas de los recipientes de acero al

carbón entre 70 °F y 900 °F.

El coeficiente de dilatación térmica por unidad de longitud y por grado ―F‖, es

igual a 0.0000067.

Cuando la dilatación térmica es mayor de 3/8‖, se deberá usar una placa de

deslizamiento.

Cuando el recipiente sea soportado en silletas de concreto, se deberá instalar

una ―cama‖ de material elástico a prueba de agua, de un espesor mínimo de ¼‖,

la cual deberá ser aplicada entre silleta y el cuerpo del recipiente.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

87

Dónde:

Distancia entre soportes = 18. 1 ft ≈ 20 ft

Temperatura de diseño = 212 °F ≈ 200 °F

Tabla 13: Tabla para determinar la longitud mínima de la ranura ―a‖. *

*Referencia tomada del libro ―Diseño y Cálculo de Recipientes a Presión‖, del Ing. Juan Manuel

Estrada.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

88

2.13. OREJAS DE IZAJE.

Con el fin de transportar, localizar, dar mantenimiento, etc., a los recipientes a

presión, es necesario equiparlos por lo menos con dos orejas de izaje (Figura 44),

Figura 44: Orejas de izaje.

2.13.1. CÁLCULO DE OREJAS DE IZAJE.

El espesor de las orejas de izaje se calcula por medio de la siguiente ecuación:

S

Dónde:

= Espesor mínimo requerido en la oreja de izaje.

W = Peso del equipo vacío.*

S = Esfuerzo a la tensión del material de la oreja (SA-36) *Ver datos en Tabla 12.

D = Distancia mostrada en la Figura 45.

*PESO DEL EQUIPO VACIO:


UNIDAD AZCAPOTZALCO

89

NOTA: Del peso del recipiente vacío, debemos de tomar en cuenta que

dependiendo del número de orejas, será la distribución del peso ―W‖.

En este caso se toma en cuenta la propuesta convencional de 2 orejas de izaje.

Es decir:

*Cabe mencionar que la capacidad máxima que se muestran en la figura está

dada para una oreja.

Figura 45: Dimensiones de la oreja de izaje.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

90

El espesor mínimo requerido de las orejas de izaje se calcula por medio de la

siguiente ecuación:

Es conveniente verificar que el espesor del recipiente será suficiente para soportar

las fuerzas aplicadas en la oreja de izaje, el espesor mínimo requerido en el

cuerpo o en la placa de respaldo de la oreja está dado por la ecuación:

S

Dónde:

= Espesor mínimo requerido en la placa de respaldo o en el cuerpo.

W = Peso del equipo vacío.

C = Distancia mostrada en la Figura 45.

= Espesor mínimo de la oreja de izaje.

S = Esfuerzo a la tensión del material del cuerpo o placa de respaldo (SA-285 ―C‖).


(

)


UNIDAD AZCAPOTZALCO

91

Finalmente, debemos verificar que la soldadura aplicada para fijar la oreja de

izaje sea suficiente, ello lo haremos con las siguientes ecuaciones:

Y

S

Dónde:

= Área de soldadura aplicada.

= Área mínima de soldadura requerida.

W = Peso del equipo vacío.

C = Distancia mostrada en la Figura 45.

= Espesor mínimo de la oreja de izaje.

S = Esfuerzo a la tensión del material del cuerpo o placa de respaldo (SA-285 ―C‖).

CONDICIÓN:

Se deberá cumplir con lo siguiente:

CÁLCULO DEL ÁREA DE SOLDADURA APLICADA:

CÁLCULO DEL ÁREA MINIMA DE SOLDADURA REQUERIDA

Por lo tanto:



UNIDAD AZCAPOTZALCO

92

2.14. BOQUILLAS EN EL RECIPIENTE.

Todos los recipientes a presión deberán estar provistos de boquillas y conexiones

de entrada y salida del producto, válvula de seguridad, entrada pasa hombre,

venteo, etc.; A continuación se enlistan algunas de las boquillas que se deben

instalar en los recipientes a presión:

A.- Entrada (s) de producto.

B.- Salida (s) de producto.

C.- Drene.

D.- Venteo.

E.- Entrada (s) de hombre.

F.- Conexión para válvula de seguridad.

G.- Conexión para manómetro.

H.- Conexión para termómetro (termo pozo).

I.- Conexiones para indicadores de nivel.

J.- Conexiones para control de nivel, etc.

De acuerdo con el tipo de recipiente a presión que vayamos a diseñar, éste

puede tener una o varias boquillas de las antes mencionadas (Figura 46).

Figura 46: Boquillas en el recipiente.

NOTA: Para fines de este proyecto se calcularan las boquillas, tomando en cuenta

2 medidas estándar, que serán; ¾‖ y 1‖.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

93

2.14.1. CÁLCULO DE BOQUILLAS EN EL RECIPIENTE.

(DE ACUERDO A CODIGO ASME, SECCION VIII, DIVISION I).

CÁLCULO DE BOQUILLAS: ¾‖,1‖

* POR; UW-16 (F) (3) (a)

Tabla 14: Especificación del material para boquillas.

Material SA-105

Esfuerzo de tensión del material (mín.): S 485 MPa 70000 psi

Factor de seguridad: F 3.5

Punto de Cedencia 250 MPa 36000 psi

Esfuerzo Máximo Permitido (UG-23): 138.5 MPa 20000 psi

**REFERENCIA: CÓDIGO ASME SECCIÓN VIII, DIVISIÓN 1.

*Las aberturas del tanque no requieren refuerzos (UG-36 (3) (a))

Espesor de pared de las Boquillas

Por: UG-45;

t min de la boquilla será el mayor de a) o b)

a) El espesor del cuello de boquilla calculado por UG-27

b) No menos que:

b.1) La pared de cuerpo o tapa bajo presión interna E=1

b.2) La pared de cuerpo o tapa a presión externa

b.3) El mayor de b1 o b2

b.4) El espesor del tubo estándar –12.5%


UNIDAD AZCAPOTZALCO

94

Tabla 15: Datos de diseño para boquillas.

Boquilla 1 Boquilla 2

Descripción de Boquilla 19.05 mm ¾‖ 25.4 mm 1‖

Diámetro externo de boquilla D 34.8 mm 1.375 in 44.45 mm 1.75 in

Radio externo de boquilla R 17.4 0.6875 in 22.22 mm 0.875 in

Hilos por pulgada n 14 11.5

Especificación de material M SA-105 SA-105

Presión interna de diseño P 0.69 MPa 100 psi 0.69 MPa 100 psi

Esfuerzo máximo Permitido S 138.5 MPa 20000 psi 138.5 MPa 20000 psi

Eficiencia de la junta E 1 (Sin costura) por UG-45

2.14.1.1. CÁLCULO DE COPLE ¾” NPT.

(Figura 47).

Figura 47: Cople ¾‖ NPT.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

95

a)

S

Para compensación de espesor para boquillas roscadas, ver UG-31(c)(2)

Por: UG-31 (c) (2)=


0.0034 + 0.057 in = 0.060 in

b)

b1)

S

b2) No aplica.

b3) No aplica.

b4) No aplica.

Por lo tanto el espesor mínimo para usar en la boquilla debe ser al menos

de: 0.417 in (10.58 mm).

Cálculo de Espesor del cuerpo bajo presión interna,

Esfuerzo circunferencial (Junta Longitudinal)


UNIDAD AZCAPOTZALCO

96

La garganta del cordón de soldadura (Figura 48) para el Cople de ¾”, deberá ser

de 0.417‖ (mínimo).

Por trigonometría:

Figura 48: Soldadura de Cople ¾‖ NPT.

El mínimo de garganta a usar en la boquilla de ¾‖ será de 0.417‖

La altura mínima de soldadura será de 0.589‖

NOTA: El espesor mínimo en las boquillas de acoplamiento será de acuerdo con

ASME B16.11

b

a h

45°

0.417 in (Garganta) 45°

°

h

°


UNIDAD AZCAPOTZALCO

97

2.14.1.2. CÁLCULO DE COPLE 1” NPT.

(Figura 49).

Figura 49: Cople 1‖ NPT.

a)

S

Para compensación de espesor para boquillas roscadas, ver UG-31(c)(2)

Por: UG-31 (c) (2)=


0.0043 + 0.069 in = 0.073 in


UNIDAD AZCAPOTZALCO

98

b)

b1)

S

b2) No aplica.

b3) No aplica.

b4) No aplica.

Por lo tanto el espesor mínimo para usar en la boquilla debe ser al menos

de: 0.417 in (10.58 mm).

La garganta del cordón de soldadura (Figura 50) para el Cople de 1”, deberá ser

de 0.417‖ (mínimo).

Por trigonometría:

Figura 50: Soldadura de Cople 1‖ NPT.

El mínimo de garganta a usar en la boquilla de 1‖ será de 0.417‖

La altura mínima de soldadura será de 0.589‖

NOTA: El espesor mínimo en las boquillas de acoplamiento será de acuerdo con

ASME B16.11

Cálculo de Espesor del cuerpo bajo presión interna,

Esfuerzo circunferencial (Junta Longitudinal)

b

a h

45°

0.417 in (Garganta) 45°

°

h

°


UNIDAD AZCAPOTZALCO

99

2.15. REGISTRO PARA ENTRADA HOMBRE.

Cuando se requiere tener acceso al interior de un recipiente a presión, ya sea

para mantenimiento, carga o descarga de sólidos, etc., es necesario instalar en él

un registro de hombre (Figura 51).

El diámetro mínimo para este tipo de registros es de 16”, aunque éste no es muy

recomendable por que dificulta el rápido acceso al interior del equipo, lo usual es

instalar registros de 18 ó 20 pulgadas de diámetro.

Ya que al abrir un registro de este tipo los operadores tendrían que cargar la tapa

y éstas son muy pesadas, se recomienda instalar un pescante en la tapa de cada

registro.

Los cuellos para los registros de hombre, deben ser calculados como los cilindros

de pared delgada. La tapa será una brida ciega comercial, del mismo material y

rango que las usadas en las demás boquillas del recipiente en cuestión.

Las placas de refuerzo, en los registros de hombre, serán calculadas con el mismo

criterio como si se tratase de una boquilla cualquiera.

Figura 51: Localización de Registro para entrada hombre.

Registro para

entrada Hombre


UNIDAD AZCAPOTZALCO

100

2.15.1. CÁLCULO DE REGISTRO PARA ENTRADA HOMBRE.

Tabla 16: Datos de diseño ―registro para entrada hombre‖.

DATOS

Presión de diseño: P 100 psi

(PROPUESTA)

TUBO CÉDULA 10, 24‖

Material: M SA-53

Diámetro exterior: D 24 in

Espesor nominal: 0.25 in

Diámetro interior: d 23.5 in

Radio interior: R 11.75 in

Eficiencia de la Junta (Sin costura): E 0.7

Material: M SA-53

Esfuerzo de tensión del material (min.): δ 48000 psi

Punto de Cedencia: 30000 psi

Factor de seguridad: F 3.5

Esfuerzo máximo permitido: S 13714.3 psi

Margen de corrosión: C 1/16‖

Figura 52: Esquema de boquilla ―Registro para entrada hombre‖.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

101

CÁLCULO DEL ESPESOR MINÍMO DEL CUELLO DE BOQUILLA (REGISTRO PARA

ENTRADA HOMBRE), POR PRESIÓN INTERNA.

*Sin corrosión permisible.

S

CÁLCULO DEL ESPESOR MINÍMO DEL CUELLO DE BOQUILLA (REGISTRO PARA

ENTRADA HOMBRE), POR PRESIÓN INTERNA.

*Con corrosión permisible.

S

De esta forma comprobamos que la propuesta del tubo (cedula 10), para

la boquilla del registro cumple con el espesor mínimo requerido.

Por lo tanto en espesor nominal de boquilla será:

CÁLCULO DEL ESPESOR REAL DEL CUERPO.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

102

CÁLCULO DEL ESPESOR REAL DE BOQUILLA.

CÁLCULO DE LA PENETRACIÓN DEL CUELLO DE BOQUILLA EN EL RECIPIENTE.

Condición;

PARA :

PARA :

De y , se toma el menor;


UNIDAD AZCAPOTZALCO

103

CÁLCULO DEL RADIO DE LA PLACA DE REFUERZO.

CÁLCULO DEL ÁREA DEL AGUJERO DEL RECIPIENTE.

CÁLCULO DE LAS ÁREAS QUE ACTUAN COMO REFUERZO.

PARA: (Exceso en el casco)

PARA: (Exceso en el cuello de la boquilla)

𝑑

⁄ ⁄


UNIDAD AZCAPOTZALCO

104

PARA: (Extensión de la boquilla hacia el interior)

PARA: (Área de la soldadura de filete)

PARA:

∑

CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LA PLACA DE REFUERZO.

𝑝

𝑝


UNIDAD AZCAPOTZALCO

105

2.15.2. CÁLCULO DE BRIDA PARA EL REGISTRO.

NOTA: Para este caso se propone una brida ciega, para este fin, se tomaran los

cálculos como si fuera una ―TAPA PLANA‖.

(1) (2)

√

⁄ √(

S ⁄ ) h

S

Las ecuaciones anteriores serán usadas con las siguientes restricciones:

1.- La tapa deberá ser ciega, es decir, no deberá tener aberturas ni boquillas.

2.- Deberá ser circular.

3.- Deberá ser fabricada con alguno de los materiales ferrosos listados en las

normas ANSI B-16.5.

4.- Deberá estar entre los rangos de presión y temperatura mostrados en la tabla

B-16.5 de las normas ANSI.

5.- El espesor obtenido, de la ecuación correspondiente, deberá considerarse

como mínimo y deberá agregarse la tolerancia por corrosión si existiera.

6.- La ecuación (2) se usará para calcular bridas ciegas atornilladas, de acuerdo

con los detalles “E” y “F” de la Figura 53, y se deberán considerar

independientemente las condiciones de operación y las condiciones de sello de

empaque, usando la mayor de ellas.

Para las condiciones de operación, el valor de “P” será dado por la presión de

diseño, el valor de “S” se tomará a la temperatura de diseño y el valor de “W” será

el que resulte mayor de:

Ó

Para las condiciones de sello del empaque, se tomará P = 0, el valor de “S” a la

temperatura ambiente y “W será:


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106

Figura 53: Detalles de uniones para tapas planas.

Dónde:

Ab = Área transversal neta de los tornillos (in²).

Am = Área transversal requerida de los tornillos tomada como la que resulte

mayor de Am1 y Am2 (in²).

Am1 = Área transversal neta requerida de los tornillos en condiciones de

operaciones (in²). = Wm1 / Sb

Am2 = Área neta de los tornillos = Wm2 / Sa.

b = Ancho efectivo de contacto del empaque. (Ver Figura 54)

bo = Ancho básico del empaque. (Ver Figura 54)

C’ = Constante adimensional que depende de la forma de unión entre la tapa y

el cilindro. (Ver Figura 53)

d = Diámetro medido como se indica en la Figura 53.

E = Eficiencia de soldaduras.

G = Diámetro donde se localiza la reacción del empaque (in²). (Ver Figura 54)


UNIDAD AZCAPOTZALCO

107

hg = Brazo de palanca, distancia radial de la línea de centros de barrenos a la

línea de reacción del empaque, (in²).

m = Relación tr/ts adimensional.

P = Presión de diseño (psi).

S = Esfuerzo máximo permisible del material de la tapa a tensión y a la

temperatura de diseño (psi).

tr = Espesor requerido en el cuerpo (in).

ts = Espesor real del cuerpo (in).

Sa = Esfuerzo máximo permisible del material de los tornillos, a temperatura

ambiente (psi).

Sb = Esfuerzo máximo permisible del material de los tornillos, a la temperatura de

diseño (psi).

t = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin considerar corrosión (in).

W = Carga total de los tornillos (lb).

y = Carga máxima permisible en el empaque o en la superficie de sello, en (psi),

su valor depende de la forma y material del empaque. (Ver Figura 55)


UNIDAD AZCAPOTZALCO

108

Figura 54: Ancho efectivo del asentamiento del empaque ―b‖.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

109

Figura 55: Características del empaque.

En la Figura 56, se muestran las dimensiones comunes o estándar de las bridas más

usadas, como ya se mencionó anteriormente, se propone una brida ciega.

Figura 56: Bridas estándar con cara realzada o cara plana.

De toda la información anterior, procedemos a cálculo de la brida ciega.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

110

Dónde:

= 32 in (Diámetro de la brida realzada)

*Ver Figura 56.

= 23.5 in (Diámetro interior de la boquilla*)

*Boquilla registro pasa hombre

CÁLCULO DEL ANCHO DEL EMPAQUE.

CÁLCULO DEL ANCHO REAL DEL EMPAQUE.

Condición 1; Cuando

,

Condición 2; Cuando

,

√

Entonces;

Por lo tanto;

√


UNIDAD AZCAPOTZALCO

111

MATERIAL DEL EMPAQUE.

Se utilizara un empaque de 1/8‖ de espesor, de asbesto con un ligado aceptable

a las condiciones de operación. (Ver Figura 55)

Dónde: Esfuerzo ―Y‖ de 1600 psi.

Factor de empaque ―m‖ de 2.0

LOCALIZACIÓN DE LA CARA DE REACCIÓN.

2.15.2.1. DESARROLLO PARA CÁLCULO DEL ESPESOR DE LA TAPA.

Para esto, se tendrán las siguientes condiciones;

La tapa será ciega, sin aberturas y/o boquillas.

Sera circular.

Estará regulada por ANSI B-165.

Se considerara margen de corrosión.

CARGA TOTAL EN TORNILLOS.

Se tomara el valor más grande que resulte de Wm1 y Wm2

Ó


UNIDAD AZCAPOTZALCO

112

Dónde:

P= 100 psi (Presión interna de diseño).

G= 27.75 in (Cara de reacción).

b= 0.630 (Ancho real del empaque).

π = 3.1416

m= 2.0 (Factor de empaque).

Dónde:

G= 27.75 in (Cara de reacción).

b= 0.630 (Ancho real del empaque).

π = 3.1416

y= 1600 psi (Esfuerzo de empaque).

PARA :

PARA :

Entonces tenemos que;

NOTA: Se utilizaran tornillos SA-193, con un esfuerzo máximo permisible (S)

de 25000 psi.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

113

Dónde:

d= 23.5 in (Diámetro interior del registro)*

*(Ver Tabla 16)

Dónde:

P= 100 psi (Presión interna de diseño).

d= 23.5 in (Diámetro interior del registro)*

*(Ver Tabla 16)

C´= 0.3 (Constante adimensional)*

*(Ver Figura 53)

S= 13714.3 psi (Esfuerzo máximo permitido del material SA-53)*

*(Ver Tabla 16, Para la tapa se tomara el mismo

Material que la boquilla)

E= 0.7 (Eficiencia de la junta, sin costura)*

*(Ver Tabla 16, Sin radiografiado)

W= 87876.6 lb (Carga total en tornillos)

hg= 3 in (distancia radial de la línea de centros de barrenos

a la línea de reacción del empaque)

EL BRAZO DE PALANCA, DISTANCIA RADIAL DE LA LÍNEA DE CENTROS DE

BARRENOS A LA LÍNEA DE REACCIÓN DEL EMPAQUE.

* *(Ver Figura 56)

2.15.2.2. CÁLCULO DEL ESPESOR DE LA TAPA PARA EL REGISTRO.

(TAPA PLANA)

La ecuación (2) se usará para calcular bridas ciegas atornilladas, de acuerdo con

los detalles “E” y “F” de la Figura 53 y se deberán considerar independientemente

las condiciones de operación y las condiciones de sello de empaque, usando la

mayor de ellas.

Sustituimos valores en ecuación (2);

√

S

h

S


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114

√

NOTA: Se utilizaran tornillos SA-193, con un esfuerzo máximo permisible (Sb)

de 25000 psi.

Usar el mismo esfuerzo máximo para Sa y Sb, ya que este esfuerzo

contempla desde -20 a 650 °F.

ÁREA TRANSVERSAL NETA REQUERIDA DE LOS TORNILLOS.

S

ÁREA NETA DE LOS TORNILLOS.

S


UNIDAD AZCAPOTZALCO

115

ÁREA TRANSVERSAL REQUERIDA DE LOS TORNILLOS.

Se tomara el que resulte mayor de : y

Entonces;

ÁREA TRANSVERSAL DE 20 TORNILLOS.

AT= 0.95 in², por cada tornillo.

Por lo que se tendrá; Ab = 20(AT)

Ab = 19 in²

Por último, se calcula el espesor de la tapa con P=0

√

S

h

S

√

Condición:

Entonces; √ Se cumple con esta condición.


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116

2.16. SOLDADURA EN EL RECIPIENTE.

La soldadura es un proceso de fabricación en donde se realiza la unión de dos

materiales, (generalmente metales o termoplásticos), usualmente logrado a

través de la coalescencia (fusión), en la cual las piezas son soldadas fundiendo

ambas y agregando un material de relleno fundido (metal o plástico), el cual

tiene un punto de fusión menor al de la pieza a soldar, para conseguir un baño de

material fundido (el baño de soldadura) que, al enfriarse, se convierte en una

unión fija. A veces la presión es usada conjuntamente con el calor, o por sí misma,

para producir la soldadura. Esto está en contraste con la soldadura blanda (en

inglés soldering) y la soldadura fuerte (en inglés brazing), que implican el

derretimiento de un material de bajo punto de fusión entre piezas de trabajo para

formar un enlace entre ellos, sin fundir las piezas de trabajo.

Muchas fuentes de energía diferentes pueden ser usadas para la soldadura,

incluyendo una llama de gas, un arco eléctrico, un láser, un rayo de electrones,

procesos de fricción o ultrasonido. La energía necesaria para formar la unión

entre dos piezas de metal generalmente proviene de un arco eléctrico. La

energía para soldaduras de fusión o termoplásticos generalmente proviene del

contacto directo con una herramienta o un gas caliente.

Mientras que con frecuencia es un proceso industrial, la soldadura puede ser

hecha en muchos ambientes diferentes, incluyendo al aire libre, debajo del agua

y en el espacio. Sin importar la localización, sin embargo, la soldadura sigue

siendo peligrosa, y se deben tomar precauciones para evitar quemaduras,

descarga eléctrica, humos venenosos, y la sobreexposición a la luz ultravioleta.

Se dice que es un sistema porque intervienen los elementos propios de este, es

decir, las 5 M: mano de obra, materiales, máquinas, medio ambiente y medios

escritos (procedimientos). La unión satisfactoria implica que debe pasar las

pruebas mecánicas (tensión y doblez). Las técnicas son los diferentes procesos

(SMAW, SAW, GTAW, etc.)

Con el fin de verificar si una soldadura ha sido bien aplicada se utilizan varias

formas de inspección, entre ellas está el de radiografiado, la prueba de líquidos

penetrantes y algunas veces se utiliza el ultrasonido.

La prueba más comúnmente utilizada es el radiografiado, éste puede ser total o

por puntos (Figura 57).

Cuando practicamos el radiografiado por puntos en recipientes a presión,

debemos tomar por lo menos, una radiografía por cada 15 metros de soldadura y

la longitud de cada radiografía será de 15 centímetros como mínimo.


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117

Figura 57: Tipos de uniones y eficiencia en soldadura.


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118

2.16.1. SÍMBOLOS GRÁFICOS EN LA REPRESENTACIÓN DE SOLDADURA.

Las características de las juntas soldadas son establecidas por medio de

representaciones gráficas, que constan, en el caso más común de los elementos

que se indican a continuación y cuya localización relativa se encuentra en el

―estándar de localización‖. Línea de referencia, flecha, símbolos básicos,

dimensiones y otras especificaciones, símbolos complementarios, símbolos de

acabado, cola, especificaciones relativas a los procesos y electrodos (Figura 58).

Figura 58: Standard de localización de los elementos y símbolos de soldadura.


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119

La línea de referencia, que preferentemente se trazara paralela a los cantos del

papel y es la construcción que sirve de base para el ordenamiento de los símbolos

y especificaciones.

La ―flecha‖ se coloca en la prolongación de uno de los extremos dela línea de

referencia y sirve para señalar la junta por soldar, la punta de la flecha respectiva

se apoyara al efecto, precisamente uno de los lados de la junta por lo que de

una manera general, en toda la conexión soldada, se establecerá un lado

marcado por la flecha y un lado contrario a la flecha.

Los símbolos básicos definen en detalle, las características de la conexión, el tipo

de soldadura y las ranuras o cajas que deban hacerse a los miembros de la junta,

mismos que se indican en las Figura 59 y 60.

Figura 59: Símbolos básicos de soldadura (1).


UNIDAD AZCAPOTZALCO

120

Figura 60: Símbolos básicos de soldadura (2).


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121

2.17. ACCESORIOS EN EL RECIPIENTE.

2.17.1. INDICADOR DE NIVEL TIPO REGLETA.

Dentro de las opciones que existen para conocer el nivel de un producto dentro

de un tanque de almacenamiento. La indicación a través del sistema de regletas

es también una de las Pocas opciones para conocer el nivel de líquidos muy

densos o pegajosos.

Este tipo de indicador tiene como fin demostrar de manera continua el nivel de

líquido dentro del depósito.

Características

Con el objeto de evitar la corrosión, las partes internas que están en contacto con

el líquido son de acero inoxidable.

Las regletas, el indicador y las poleas son de aluminio, material ligero y muy

resistente (Figura 61).

Figura 61: Indicador de nivel.


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122

2.17.2. VÁLVULA DE MÁXIMO LLENADO.

Dispositivo mecánico de operación manual que indica el nivel preestablecido de

máximo llenado de líquido en el recipiente (Figura 62).

Figura 62: Válvula de máximo llenado.

2.17.3. MANÓMETRO.

Los manómetros (Figura 63) nos permiten tomar las lecturas de la presión interna

del recipiente. Todos los recipientes deberán tener cuando menos un manómetro

conectado a la cámara de vapor, colocado de tal manera que esté exento de

vibraciones, pueda ser convenientemente ajustado y ofrezca una visión clara y

despejada.

Figura 63: Manómetro.

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://www.agroyamuni.com/index.php?app=ecom&ns=catshow&ref=gasLPMaximoLlenado&ei=5w2WVdT6JYeqgwTqqpeAAw&bvm=bv.96952980,d.eXY&psig=AFQjCNGz5iwQCe53NtUXIrgWFxerVlblow&ust=1435983685508781

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://www.agroyamuni.com/index.php?app=ecom&ns=catshow&ref=gasLPMaximoLlenado&ei=5w2WVdT6JYeqgwTqqpeAAw&bvm=bv.96952980,d.eXY&psig=AFQjCNGz5iwQCe53NtUXIrgWFxerVlblow&ust=1435983685508781


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123

2.17.4. MEDIDOR DE TEMPERATURA.

Instrumento que nos permite registrar la temperatura a la cual opera el tanque de

almacenamiento (Figura 64).

Figura 64: Medidor de temperatura.

2.17.5. VÁLVULA DE EXCESO DE FLUJO.

Dispositivo mecánico de acción automática que cierra cuando el flujo de líquido

o vapor excede el valor del gasto preestablecido (Figura 65).

Figura 65: Válvula de exceso de flujo.

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://www.moragas.com.mx/catalogo/producto.php?nombre=VALVULA EXCESO DE FLUJO REGO&marca=14&material=10&ei=LROWVZffM8ybgwTH0oCYCg&bvm=bv.96952980,d.eXY&psig=AFQjCNE3Q2XU1TcfqjTGeWr9LEE9OsBHAQ&ust=1435985058911464

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://www.moragas.com.mx/catalogo/producto.php?nombre=VALVULA EXCESO DE FLUJO REGO&marca=14&material=10&ei=LROWVZffM8ybgwTH0oCYCg&bvm=bv.96952980,d.eXY&psig=AFQjCNE3Q2XU1TcfqjTGeWr9LEE9OsBHAQ&ust=1435985058911464


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124

2.17.6. VÁLVULA DE NO RETROCESO.

Dispositivo mecánico de acción automática que permite el paso del líquido en un

solo sentido y que cierra cuando el flujo es detenido o invertido (Figura 66).

|

Figura 66: Válvula de no retroceso.

2.17.7. VÁLVULA DE LLENADO.

Dispositivo mecánico de operación automática formado por dos válvulas de no

retroceso, instalado en el recipiente para su llenado con líquido. Este dispositivo

sólo permite el flujo hacia el interior del recipiente (Figura 67).

Figura 67: Válvula de llenado.

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://www.moragas.com.mx/catalogo/index.php?cur=127&ei=2hOWVcHlC4ilgwSX1YKgCA&bvm=bv.96952980,d.eXY&psig=AFQjCNGoSlWMQC1_xXRPIlA9_pDGcmil2A&ust=1435985235160303

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://www.moragas.com.mx/catalogo/producto.php?nombre=VALVULA DE LLENADO REGO&marca=14&material=1&ei=oBSWVYuWKcG4ggSv0YHgCA&bvm=bv.96952980,d.eXY&psig=AFQjCNGcWtDTHbwNRXYISUDMJgUeJkaYcA&ust=1435985397462287

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://www.moragas.com.mx/catalogo/index.php?cur=127&ei=2hOWVcHlC4ilgwSX1YKgCA&bvm=bv.96952980,d.eXY&psig=AFQjCNGoSlWMQC1_xXRPIlA9_pDGcmil2A&ust=1435985235160303

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://www.moragas.com.mx/catalogo/producto.php?nombre=VALVULA DE LLENADO REGO&marca=14&material=1&ei=oBSWVYuWKcG4ggSv0YHgCA&bvm=bv.96952980,d.eXY&psig=AFQjCNGcWtDTHbwNRXYISUDMJgUeJkaYcA&ust=1435985397462287


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125

2.17.8. VÁLVULA DE COMPUERTA (SERVICIO).

Dispositivo mecánico de operación manual que suministra el despacho de

producto líquido (Figura 68).

Figura 68: Válvula de compuerta.

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://valve-seller.es/3-1-api-gate-valve.html&ei=BxiWVaf_Lca7ggT9qYGwCA&bvm=bv.96952980,d.eXY&psig=AFQjCNHk-VttgDh6nYwDVCVM3LnFVBe7tw&ust=1435986292655419

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://valve-seller.es/3-1-api-gate-valve.html&ei=BxiWVaf_Lca7ggT9qYGwCA&bvm=bv.96952980,d.eXY&psig=AFQjCNHk-VttgDh6nYwDVCVM3LnFVBe7tw&ust=1435986292655419


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126

2.17.9. VÁLVULAS DE SEGURIDAD.

Se emplean para impedir que en los recipientes se desarrollen presiones

excesivas. En las válvulas de seguridad (Figura 69), la presión del recipiente es

vencida por un muelle, cuya tensión se puede ajustar por la parte superior. Una

palanca permite accionar la válvula con la mano.

Las válvulas de seguridad deberán ser del tipo de resorte, de abertura y cierre

instantáneos que cumplan con los requisitos establecidos en las normas.

Figura 69: Válvula de seguridad.

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://www.aguamarket.com/productos/subcategoria.asp?idsubcategoria=2207&categoria=valvulas+seguridad+&ei=QRmWVY6cFMqdNoOwpsgH&bvm=bv.96952980,d.eXY&psig=AFQjCNFN0dh2zU3H76CxuK0zGLLiNKgD3g&ust=1435986598649553

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://www.aguamarket.com/productos/subcategoria.asp?idsubcategoria=2207&categoria=valvulas+seguridad+&ei=QRmWVY6cFMqdNoOwpsgH&bvm=bv.96952980,d.eXY&psig=AFQjCNFN0dh2zU3H76CxuK0zGLLiNKgD3g&ust=1435986598649553


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127

CAPÍTULO III

ANÁLISIS DE LAS SILLETAS POR

EXTENSÓMETRIA.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

128

3.1. EXTENSOMETRÍA

La extensómetria es una técnica experimental para la medición de esfuerzos y

deformaciones basándose en el cambio de la resistencia eléctrica de un material

al ser sometido a tensiones. Debido a la reciente introducción del método de

elementos finitos, esta técnica es menos utilizada. Esta técnica no debería dejar

de ser utilizada ya que mide de una manera más exacta, por lo que

generalmente se usa en la fase final del diseño de un producto.

Es extremadamente útil en la medida de esfuerzos vibracionales y detección de

resonancias a alta frecuencia (la respuesta en frecuencia de una banda/galga

extensométrica es de unos 100kHz) donde los algoritmos de simulación por

elementos finitos no ofrecen resultados fiables (estos suelen empezar a mostrar

imprecisiones con sistemas complejos que vibren a más de 50 Hz). En sus múltiples

variantes permite determinar estados tensionales unidireccionales o completos

(rosetas, arreglos a 90º, etc.), medir deformaciones a alta temperatura (hasta

unos 800 °C con bandas soldables), controlar obra civil (galgas para hormigón) y

fabricar acelerómetros extremadamente sensibles capaces de medir campos

continuos.

Su uso requiere a cambio un amplificador analógico de elevadas prestaciones

debido a lo débiles que son las señales que se generan (a menudo inferiores a

1mV) y un filtro antialiasing (para sistemas con registro digital de la señal).

Esta técnica se basa en el uso de galgas extensométricas o rosetas de

deformación.

El concepto de deformación engloba todas las variaciones sufridas por un cuerpo

cuando éste ha sido sometido a una fuerza externa, bien sea compresión,

tracción, torsión o flexión.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

129

3.2. PUENTE DE WHEATSTONE

La medición de la deformación de una galga extensométrica, se efectúa a través

de un puente de Wheatstone (Figura 70), el cual permite detectar cambios

extremadamente pequeños en la resistencia eléctrica, éste se indica más

adelante con una o más galgas extenso métricas dependiendo del experimento

a llevar acabo.

Este puente se alimenta con una fuente de corriente continua y las diferencias de

tensión, son elevadas en los amplificadores operacionales y luego presentadas a

lectura.

Figura 70: Puente de Wheatstone.

En una de las ramas del puente de Wheatstone, se coloca la banda

extensométrica mientras que el resto de las ramas se completan con resistencias

pasivas de valor nominal idéntico al de la banda de medida no deformada.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

130

3.2.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL PUENTE DE WHEATSTONE.

El circuito del Puente de Wheatstone (Figura 71), en la cual las resistencias 1R y 3R

son resistencias de precisión, 2R es una resistencia variable calibrada

xR es la

resistencia bajo medición y G es un galvanómetro de gran sensibilidad.

Figura 71: Circuito del Puente de Wheatstone.

Si se varía 2R hasta que el galvanómetro indique cero corriente, se cumplirá que:

bcac VV

Dónde: ERR

RVE

RR

RV

32

2bc

1X

Xac

Sustituyendo en ecuación anterior se tiene: 32

2

1X

X

RR

R

RR

R

De la ecuación anterior se puede deducir que: 3

2

1

x

R

R

R

R

Por lo que despejando se tiene: 2

3

1X R

R

RR

Por lo general, la configuración con la que se representa este circuito es la

mostrada en la Figura 71, y la condición de equilibrio del Puente, cuando la

corriente por el galvanómetro es igual a cero, está dada por la expresión:

X321 RRRR


UNIDAD AZCAPOTZALCO

131

3.3. GALGAS EXTENSOMÉTRICAS.

Las galgas extensométricas, son transductores pasivos también conocidos como

strain gages, que ubicados en un punto de la superficie de un elemento a

analizar, puede detectar y convertir desplazamientos mecánicos pequeños en

señales eléctricas permitiendo medir la fuerza ejercida sobre él punto a partir de

la deformación resultante.

Así fuerzas de compresión, tracción o torsión, aplicadas sobre materiales elásticos,

generan deformaciones que son transmitidas a la galga, generando una lectura

directa de la deformación longitudinal producida en el punto dado, en el cual se

ha adherido la galga, respondiendo ésta con una variación de su propia

resistencia eléctrica.

La galga extensométrica, es básicamente una resistencia eléctrica de muy alta

sensibilidad a la deformación, la cual recibe su nombre, porque al deformarse

longitudinalmente (estirarse) cambian su resistencia.

3.3.1. CONFIGURACIÓN DE LAS GALGAS EXTENSOMÉTRICAS.

La configuración más usual de una galga extensométrica, es la mostrada en la

Figura. 72, la cual cuenta con una pista conductora larga (alambre conductor

muy fino), de diámetro muy pequeño puesto en forma de zig-zag y adherido a un

papel o plástico llamado base, o más comúnmente un papel metálico arreglado

en forma de rejilla. Esta forma de rejilla permite aprovechar la máxima cantidad

de material de la galga sujeto a la tensión a lo largo de su eje principal.

Las zonas de las curvas de los hilos, donde comienza otra vuelta, es una zona

gruesa a fin de disminuir lo más posible la sensibilidad transversal de la banda. Esta

pista conductora acaba en dos terminales donde se sueldan los cables que la

deben unir al circuito de medida, Figura. 72.

Todo este conjunto conductor esta sostenido por un material aislante que es el

que proporciona el soporte para su pegado. Sobre él existen también dibujadas

unas marcas que facilitan su colocación en la dirección y posición correcta.

Además, algunas bandas tienen una película que protege la zona de medida de

la banda formando un encapsulado.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

132

Figura 72: Galga Extensométrica.

3.3.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA GALGA EXTENSOMÉTRICA.

Su principio de funcionamiento se basa en el efecto piezorresistivo de metales y

semiconductores, según el cual, su resistividad varía en función de la deformación

a la que están sometidos, el material de que está fabricado y el diseño

adoptado.

El parámetro variable y sujeto a medida, es la resistencia de dicha galga. Esta

variación de resistencia depende de la deformación que sufre la galga.

Se parte de la hipótesis inicial de que el sensor experimenta las mismas

deformaciones que la superficie sobre la cual está adherido. Por tanto, podremos

determinar la variación de longitud que experimenta la banda midiendo la

variación de resistencia que presenta. De esta forma, existirá una relación directa

entre la deformación que sufre la banda y la variación de resistencia eléctrica.

Para poder determinar las ecuaciones que rigen la operación de los

extensómetros en primer lugar, es importante recordar que la resistencia eléctrica

de cualquier conductor, depende del material de que se trate.

Si se considera el hilo metálico de la Figura 73, de longitud 𝐿, sección transversal 𝐴

y resistividad 𝜌, su resistencia eléctrica es:


UNIDAD AZCAPOTZALCO

133

Dónde:

= 𝑟𝑒 𝑖 𝑡𝑒𝑛 𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒 𝑡𝑟𝑖 𝑎 𝑒𝑙 𝑖𝑙𝑜

𝜌 = 𝑟𝑒 𝑖 𝑡𝑖𝑣𝑖 𝑎 𝑒𝑙𝑒 𝑡𝑟𝑖 𝑎 𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝐿 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢 𝑒𝑙 𝑖𝑙𝑜

𝐴 = 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑒 𝑙𝑎 𝑒 𝑖𝑜𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑛 𝑣𝑒𝑟 𝑎𝑙 𝑒𝑙 𝑖𝑙𝑜

Figura 73: Hilo metálico de una galga extensométrica.

La ecuación anterior permite indicar que la resistencia eléctrica del hilo es

directamente proporcional a su longitud, o lo que es lo mismo, su resistencia

aumenta cuando éste se alarga.

Si se le somete a un esfuerzo en dirección longitudinal, cada una de las tres

magnitudes que intervienen en el valor de R cambia, por tanto el cambio de R se

puede expresar como:

El cambio de longitud que resulta de aplicar una fuerza F a una pieza

unidimensional (siempre y cuando no se supere su límite elástico), está dado por

la ley de Hooke.

Dónde:

𝑬= módulo de elasticidad del material (denominado módulo de Young).

𝜎= esfuerzo uniaxial

=deformación unitaria.


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134

Cuando el hilo se estira en dirección axial, el área de la sección transversal

disminuye, ya que la masa total debe conservarse. La razón de la deformación

lateral a la deformación axial también, es una propiedad del material, esta

propiedad se llama razón de Poisson y se define como:

⁄

⁄

Dónde:

D = diámetro del hilo

=es el coeficiente de Poisson (su valor está entre 0 y 0.5).

En términos de la relación de Poisson tendremos:

⁄

⁄

Por lo tanto el cambio en la resistencia es:

⁄

⁄

El cambio en resistencia de un medidor de deformación por lo general se expresa

en términos de un parámetro determinado por el fabricante empíricamente

llamado factor de galga, GF expresado como:

⁄

Relacionando las dos ecuaciones anteriores, se observa que el factor de galga

depende de la razón de Poisson para el material del medidor y su

piezorresistividad.

Por lo que existe una relación entre el cambio de resistencia de un material y la

deformación que experimenta éste.


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135

3.4. TIPOS DE GALGAS EXTENSOMÉTRICAS Y SU APLICACIÓN.

Las galgas extensométricas pueden tener gran variedad de formas, tamaños,

combinaciones, materiales constituyentes, propiedades mecánicas y eléctricas,

cada una de ellas apropiada para una situación en particular.

Básicamente existen dos tipos de galgas:

De hilo conductor o lámina conductora. En esta galga el sensor está

constituido básicamente por una base muy delgada no conductora y muy

flexible, sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino. Las

terminaciones del hilo acaban en dos terminales a los cuales se conecta el

transductor.

Semiconductor. En esta galga se sustituye el hilo metálico por un material

semiconductor, cristales de silicio son el material básico. La principal

diferencia constructiva de estas galgas respecto a las anteriores se

encuentra en el tamaño; las galgas semiconductoras tienen un tamaño

más reducido.

Pero realmente no hay una forma específica para poder clasificar a las galgas

extensométricas, ya que estas pueden clasificarse de diversas formas de acuerdo

al:

Material de fabricación

Conductores metálicos.

Semiconductores.

Para diversos tipos de esfuerzos.

Para medida de deformaciones medias.

Para medida de gradiente de deformaciones.

De detección de propagación fisuras o de medida de presiones.

Para deformaciones en diferentes ejes o según su constitución.

Torsiones, esfuerzos máximos y mínimos, etc.


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136

Las galgas más comúnmente utilizadas son:

GALGAS UNIAXIALES: Éstas permiten medir deformaciones a lo largo de la galga,

son casi insensibles a las deformaciones transversales (Figura 74).

GALGAS BIAXIALES (roseta de dos elementos): Éstas permiten medir al mismo

tiempo esfuerzos en dos direcciones porque tienen dos rejillas cruzadas a 90º

(Figura 74).

GALGAS DE TRES ELEMENTOS, (roseta de tres elementos): Éstas se utilizan para

medir la magnitud y dirección de tensiones que se presentan con cargas

complejas (Figura 74).

Figura 74: Tipos de configuraciones de las Galgas.


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137

Existen gran variedad de galgas extensométricas en la Figura 75, se presentan

algunos de estos tipos.

Figura 75: Diferentes tipos de galgas extensométricas.

3.4.1. CARACTERÍSTICAS DEL SENSOR (GALGA).

Las principales características de las galgas son las siguientes:

Dimensiones de la galga ( 2,5 x 6 mm)

Anchura y Longitud: Dichos parámetros nos proporcionan las características

constructivas de la galga. Nos permite escoger el tamaño del sensor que más se

adecúe a nuestras necesidades.

Peso de la galga (1 g).

Esta característica nos define el peso de la galga. Este suele ser del orden de

gramos. En aplicaciones de mucha precisión el peso puede influir en la medida

de la deformación.


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138

Tensión medible (del 2 al 4% máx.).

Es el rango de variación de longitud de la galga, cuando ésta se somete a una

deformación. Este rango viene expresado en un tanto por cien respecto a la

longitud de la galga.

Temperatura de funcionamiento (de - 30ºC a +180ºC).

Es aquella temperatura para la cual el funcionamiento de la galga se encuentra

dentro de los parámetros proporcionados por el fabricante.

Resistencia de la galga (120 ± 0,5%).

Es la resistencia de la galga cuando ésta no está sometida a ninguna

deformación. Es la resistencia de referencia y suele acompañarse de un

porcentaje de variación.

Factor de galga (2,00 nominal).

Factor de galga o factor de sensibilidad de la galga es una constante K

característica de cada galga. Determina la sensibilidad de ésta. Este factor es

función de muchos parámetros, pero especialmente de la aleación empleada en

la fabricación. Matemáticamente el factor de galga se expresa:

Coeficiente de temperatura del factor de galga (±0,015%/ºC).

La temperatura influye notablemente en las características. A su vez, cualquier

variación en estas características influye en el factor de galga. Este coeficiente se

mide en %/ºC, que es la variación porcentual del valor nominal del factor de

galga respecto al incremento de temperatura.

Prueba de fatiga (105 contracciones con tensión de 1000 micro).

Esta característica nos indica el número de contracciones o deformaciones a una

determinada tensión que puede soportar la galga sin romperse.

Material de la lámina (aleación de cobre níquel).

Esta característica nos define el material del que está hecho el hilo conductor o el

material semiconductor.

Material de la base (poliamida).

Esta característica nos define el material del que está constituida la base no

conductora de la galga.

Factor de expansión lineal.

Representa un error que se produce en la magnitud de salida en ausencia de

señal de entrada, es decir, en ausencia de deformación. Este error depende de la

temperatura ambiente a la que está sometida la galga. Se expresa en C-1.


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139

3.5. MÉTODO PARA PEGAR Y SOLDAR UNA GALGA EXTENSOMÉTRICA.

Las galgas extensométricas, son finísimos dispositivos que deberían ser

íntimamente pegados al elemento estructural que se pretende analizar; esta

acción es particularmente importante, debido a que la galga extensométrica

habrá de transmitir íntegramente las pequeñísimas deformaciones que sufra la

superficie del material en que se encuentre instalado, por lo que, cualquier falla,

burbuja ó impureza, podría dar origen a lecturas erróneas; con las obvias y

peligrosas consecuencias que podrían darse al interpretar valores de esfuerzos

falsos. Por tal motivo es importante conocer la forma en que se adhieren en el

elemento a analizar.

Las galgas extensométricas pueden ser satisfactoriamente pegadas en casi

cualquier superficie sólida, si ésta es adecuadamente preparada.

Por lo que el propósito de preparar la superficie, es desarrollar un área

químicamente limpia, con una rugosidad superficial adecuada y una alcalinidad

de un ph neutro, y un trazado visible de líneas de referencia para la orientación

de la galga extensométrica.

Entre los materiales más utilizados en ingeniería se encuentran el acero y el

aluminio, por lo que se hablara en este capítulo de los pasos a seguir para

preparar la superficie en estos materiales. Los pasos básicos a seguir se indican a

continuación.

3.5.1. DESENGRASADO

Esta operación pretende remover aceite, grasa, contaminantes orgánicos y

residuos químicos solubles.

El desengrasado se puede efectuar utilizando 1-1-1 tricloetano (cloroetileno),

alcohol isopropílico, acetona u otros productos que sean desengrasantes

enérgicos; es preferible el aplicador por aspersión para evitar se vuelva

contaminar por el solvente que escurre. Se debe utilizar una gasa o pañuelo

desechable para limpiar una área de 100 a 150 mm, alrededor del punto en

donde se pretende instrumentar, como se muestra en la Figura 76.


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140

Figura 76: Desengrasado de la Superficie.

3.5.2. LIJADO DE SUPERFICIE

La superficie debe ser lijada para eliminar óxido, pintura, rebabas o cualquier otro

tipo de imperfecciones o materia extraña que se encuentre adherida de tal

forma que se obtenga una superficie lisa y sin poros, adecuada para el pegado.

Para superficies burdas, es necesario el uso de lija del 220 para acero o de 320

para aluminio, para la primera operación. Se debe mojar la superficie con ácido

fosfórico al 5% (H3PO4) como acondicionador o algún equivalente y lijar como se

ilustra en la Figura 77, aplicando todo el acondicionador que sea necesario para

evitar que la sección que se prepara se seque

Figura 77: Lijado de la Superficie.


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141

Cuando la superficie este brillante, se debe limpiar con una gasa o pañuelo

desechable, nunca se debe volver a pasar un limpiador usado por la misma

superficie de preferencia se debe usa uno nuevo en cada pasada. Para finalizar,

repite el mismo procedimiento utilizando ahora lija 320 para acero ó 400 para

aluminio; esta operación elimina las ralladuras de la superficie de trabajo.

3.5.3. TRAZO DE EJES

Para orientar adecuadamente la galga extensométrica o roseta en la dirección

deseada, es necesario trazar unos ejes ortogonales de referencia; dichos ejes

serán más bien grabados químicamente que trazados a lápiz o rayando el

material, ya que lo primero dejaría trazas de carbón y lo segundo dañaría la

superficie, (no se debe olvidar que la galga extensométrica es extremadamente

sensible y que registra las deformaciones de la superficie únicamente). Para ello

utilizaremos un lápiz medio duro (2H ó 3H) para aluminio o un bolígrafo o punta de

bronce para acero; trazando nuestros ejes de referencia con una regla

(previamente desengrasada), como se muestra en la Figura 78.

Figura 78: Trazo de los ejes.

3.5.4. ACONDICIONAMIENTO DE SUPERFICIE

Después de trazar los ejes, se aplica abundante acondicionador a la superficie y

se le deja unos 60 segundos (esto permite que las líneas marcadas se graben

químicamente), luego se limpiará como se ha indicado (con gasa o pañuelo

desechable nuevo y de una sola pasada), aplicando acondicionador

nuevamente tantas veces como sea necesario (no debe permitirse que la

superficie se seque por evaporación, así que esta operación deberá hacerse

rápidamente), hasta que el limpiador quede completamente sin rastros;

entonces, después de la última pasada (todas deben ser en una sola dirección

como se muestra en la Figura 79), se da una más en sentido contrario. Siempre

con un limpiador nuevo.


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142

Figura 79: Acondicionado.

3.5.5. NEUTRALIZADO

A fin de que la alcalinidad de la superficie sea adecuada (neutra ph 7) para la

aplicación del pegamento), la superficie deberá ser neutralizada aplicando

abundante líquido neutralizador (agua amoniacada al 6.5% [NH4OH]), secando

con esponjas o pañuelos como se ha dicho repetir la operación dos o tres veces,

nunca dejar secar por evaporación; cuando se termine, pasar lentamente un

limpiador en sentido contrario cuidando no invadir la zona exterior a la de trabajo

para no arrastrar contaminantes (Figura 80).

La superficie esta lista para pegar la galga extensométrica. La instalación deberá

hacerse en no más de 30 minutos para aluminio ó 45 minutos para acero.

Figura 80: Neutralizado.


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143

3.5.6. PREPARACIÓN Y PEGADO DE LA GALGA

Es indispensable garantizar una excelente adherencia entre la galga

extensométrica y la superficie; por lo cual es recomendable utilizar pegamentos

que garanticen su estabilidad por el tiempo que exija la prueba, adecuados a los

cambios de temperatura, lo suficientemente elástico para que sufra

deformaciones lineales acordes a las de la superficie de prueba, con buenas

características de transmisión de calor, que no modifique sus propiedades

mecánicas ni químicas con los cambios de temperatura y sobre todo que el

fabricante garantice que sus propiedades no cambien de un lote a otro.

3.5.6.1. MANEJO Y PREPARACIÓN

Una vez que la superficie se encuentra preparada y químicamente limpia, se

procede a realizar lo siguiente:

Mediante unas pinzas de punta fina (previamente desengrasadas), se remueve la

galga extensométrica de su cubierta de acetato y se coloca sobre un vidrio o la

caja de la galga extensométrica (también químicamente limpio) con su cara de

pegado hacia abajo (puntos para soldar hacia arriba), colocando las terminales

(si se requieren) en la posición elegida, manejándolas con la misma precaución

con que se hizo para la galga extensométrica, dejando por lo menos 1.5 mm

entre la galga y la terminal.

Utilizando de 10 a 15 cm de cinta de celofán (cinta adhesiva de preferencia la

llamada "mágica‖), se fija un extremo de la cinta en el vidrio o caja alineándola

con el extensómetro y las terminales; con un dedo se desliza la cinta sobre ellos,

para luego despegar la cinta (ya con la galga y terminales adheridas),

levantando lentamente y con un ángulo no mayor de 45° hasta que la cinta

quede libre. No exceder el ángulo, es muy importante a fin de evitar doblar

mucho la galga extensométrica y dañarla permanentemente, Figura 81.

Figura 81: Adherencia del extensómetro a la cinta.


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144

Ya que se encuentra lista la galga extensométrica para ser colocado en la zona

previamente preparada, y en la que se trazaron los ejes de referencia, despega

la cinta del vidrio y colocándola entre los pulgares alinear las marcas del

extensómetro (los pequeños triángulos en el eje central longitudinal y transversal),

con dichos ejes, como se muestra en la Figura 82, en caso de no quedar

alineados, despega nuevamente la cinta y repite el procedimiento.

Figura 82: Colocación del extensómetro en la zona preparada.

Una vez colocado la galga extensométrica sobre el elemento a analizar, se debe

aplicar el pegamento; para ello, levantamos un extremo de la cinta, como se

muestra en la Figura. 83, empezando por el lado opuesto a las terminales hasta

que queden a la vista, luego pegar la punta hacia atrás de modo que se tengan

las manos libres para la siguiente operación.

Figura 83: Aplicación del pegamento.


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145

3.5.6.2. PEGADO DE LA GALGA

Se requiere primero una delgada capa de catalizador sobre la cara del

extensómetro y la terminal; para ello comúnmente el catalizador se suministra por

el fabricante en una botella con brochita integrada, por lo que se sumerge la

brochita y escurre en la boca de la botella unas 10 veces, de tal modo que la

brochita quede apenas mojada; se procede a colocarla hacia abajo sobre la

galga extensométrica como se muestra en la Figura 84, y se desliza sobre éste y la

terminal de modo que se humedezca toda su área, y dejar secar el catalizador

por un minuto más o menos.

Figura 84: Capa delgada del catalizador.

Los siguientes tres pasos deberán efectuarse secuencial y rápidamente en no más

de cinco segundos.

Figura 85: Aplicación del pegamento.


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146

Estando la cinta levantada; asegurar de que la distancia de la terminal a la unión

de la cinta con la superficie del material, sea de unos 13 mm y se aplica en ese

punto una o dos gotas de pegamento, inmediatamente despegar la punta que

se anclo y colócala axialmente a unos 30° de la superficie como se muestra en la

Figura. 85, manteniendo tensa con una mano en tanto que con la otra, y con la

ayuda de una gasa o pañuelo, aplicar presión hacia abajo empujando el

pegamento hacia adelante y asegurando el pegado de la galga extensométrica

con una delgada capa de él, hasta que la cinta quede totalmente pegada al

material. La tensión es importante para asegurar que el alineamiento se

mantenga. Figura. 86.

Figura 86: Presión con agua.

Inmediatamente desechar la gasa y con el dedo aplicar una presión firme sobre

el extensómetro y la terminal, por lo menos durante un minuto, como se muestra

en la Figura 87. Esperar unos dos minutos más antes del siguiente paso.

.

Figura 87: Presión con el dedo.


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147

Ahora únicamente se debe despegar la cinta por el extremo y jalándola sobre sí

misma lenta y firmemente, como se ve en la Figura 88.

Figura 88: Despegar la cinta.

3.5.7. SOLDADO DE TERMINALES

Una vez que la galga extensométrica ha sido pegada, se debe conectar a la

terminal y soldarle los cables conductores que nos permitirán conectarla al

instrumento en el que habremos de realizar nuestras lecturas.

Si la galga extensométrica no es del tipo encapsulado, entonces deberá cubrirse

con cinta como se muestra en la Figura 89, dejando expuestos únicamente los

puntos en que habrán de soldarse los conductores; esta protección evitará que

se dañe el extensómetro con la pasta de soldar o con salpicaduras de soldadura.

Figura 89: Recubrimiento con cinta.


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148

La soldadura que se utiliza normalmente tiene una temperatura de fundición de

220° C; aunque se puede utilizar también de 183° C, 300° C ó 480° C,

dependiendo de las temperaturas de trabajo; es recomendable que se utilice

soldadura con fundente (corazón con pasta) de aproximadamente 1 mm de

diámetro y un cautín con regulador de temperatura; en su defecto, se debe usar

un cautín de 25 Watts, en el cual es más fácil no tener temperaturas excesivas.

Cuando el cautín ha alcanzado su temperatura, limpiar la punta (puedes usar

una esponja húmeda o un pedazo de lija) y estáñala con un poco de soldadura;

estaña también las puntas de los cables y del alambre que habrá de puentear el

extensómetro con la terminal; depositar los puntos de soldadura sobre la terminal

y el extensómetro, para ello, colocar el alambre de soldadura transversalmente

como se indica en la Figura. 90, aplicando firmemente el cautín por 1 ó 2

segundos y retirar simultáneamente la soldadura y el cautín; deberá formarse un

punto de soldadura semiesférico de superficie suave; si no, repetir el proceso.

Figura 90: Soldado de terminales.

Si se usa cable trifilar (2 ó 3 conductores unidos), separa los conductores unos 20

mm y "pelar" unos 3 ó 4 mm del aislante de cada uno; aunque si se va a puentear

con el mismo cable, es necesario pelar unos 15 mm de modo que se pueda dejar

un alambrito para el puente y cortar el resto para dejar los 3 ó 4 mm para

soldarlos a la terminal.

Utilizar cinta adhesiva para fijar los conductores al elemento a analizar, de modo

que puedas colocar las puntas de ellos sobre los puntos de soldadura, aplicar

entonces la soldadura y el cautín como se indica en la Figura 91, inmediatamente

limpiar perfectamente todo exceso de pasta de soldar o fúndete, mediante la

aplicación de tolueno y secando con una gasa, pañuelo desechable o punta de

algodón. Fijar los conductores perfectamente para evitar que un jalón pueda

desprender la terminal y aún al extensómetro.


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149

Figura 91: Soldado.

Con un multímetro verifica la continuidad y resistencia de la instalación, esta

última deberá estar dentro del rango que marque la información que acompaña

a los extensómetros.

Finalmente debemos proteger la instalación para evitar que ésta se afecte por la

humedad, el polvo u otros, puede utilizarse barniz de uñas (no duradero), como se

muestra en la Figura 92, o alguno de los productos recomendados por los

fabricantes.

Figura 92: Recubrimiento final de la galga.

Los componentes que pueden distinguirse en una banda extensométrica

instalada aparecen reflejados en la Figura. 93.

1- Material Soporte.

2- Adhesivo.

3- Banda extensométrica. Conductor.

4- Terminales para soldar.

5- Soldadura.

6- Hilo conductor o de conexión.

7- Recubrimiento o aislante protector.


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150

Figura 93: Montaje de una galga impresa.

A fin de asegurar la máxima limpieza y óptimos resultados, deberá observarse

siempre:

No tocar la superficie con los dedos

No pasar de ida y vuelta ó rehusar las esponjas o pañuelos de limpieza.

No arrastrar contaminantes desde la zona externa a la de preparación.

No dejar secar por evaporación las soluciones de preparación.

No dejar parcialmente preparada la superficie o demorar el pegado

del extensómetro para luego continuar.

Con lo anterior se tendrá lista la instalación para conectarla al puente de

Wheatstone. Las galgas extensometricas se deben de ubicar en los lugares del

elemento a analizar en donde se desee determinar sus esfuerzos, como se

muestra en las Figuras 94 y 95.

Figura 94: Montaje de una galga extensométrica para un solo punto de medición.


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151

Figura 95: Montaje de galgas extensométricas en varios puntos de medición

(En silleta).

3.6. APLICACIÓN DE LAS CARGAS EN LAS SILLETAS.

1.- Hacer la conexión (sincronizar) la galga con el puente de Wheatstone.

2.- Calibrar el instrumento en cero cuando ya se encuentra la galga conectada

(Figura 96).

Figura 96: Calibración del equipo a ―cero‖.

3.- Colocar la carga a la probeta. Para poder llevar a cabo la prueba y la

simulación de la carga del tanque: nos permitimos simular el recipiente por un

plato de mordazas ―Chuck‖ de torno paralelo, que gracias a su forma circular nos

permitió hacer la prueba del montaje en el ancla y poder así, aplicar las cargas

correspondientes con el material y equipo facilitado en el laboratorio

experimental de esfuerzos (Figura 97).


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152

Figura 97: Colocación de la carga.

4.- Montar un medidor de carga (dinamómetro) y ajustarlo a cero (Figura 98).

Figura 98: Montaje del dinamómetro.

5.- Se aplica una primera carga y se toma lectura de la deformación en el

aparato de medición (Figura 99).

Figura 99: Medición de la deformación.


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153

Cabe mencionar que colocaron 5 sensores en la silleta de prueba (Figura 100).

Se aplicaran 5 diferentes cargas para cada sensor (galga) registrando las

deformaciones respectivas.

Figura 100: Ubicación de los sensores (galgas) en la silleta.

1

2

3

4 5


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154

3.6.1. LECTURAS Y RESULTADOS DE LAS GALGAS EXTENSOMETRICAS.

Como ya se mencionó anteriormente, para fines prácticos, la prueba de galgas

extensométricas se realizó con una silleta elaborada en una escala aproximada

de 1:7 en comparación a las medidas reales de las silletas, el material utilizado

para la silleta a escala fue de acero estructural SA-36 con módulo de elasticidad

de 199.9 MPa (29000 psi).

En la Figura 101, se muestran las ubicaciones de las galgas extensométricas

(sensores) y en la Tabla 17 se muestran sus respectivas áreas de las secciones

transversales.

Figura 101: Ubicación de los sensores con su sección transversal.


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155

Tabla 17: Áreas transversales de las ubicaciones de las galgas.

SENSOR Dimensiones

(in)

Área de la sección.

―𝐴‖

(in²) (m²) 1 a= 9.85 in b= 0.071 in 0.699 4.51 X 10-4

2 a= 9.85 in b= 0.071 in 0.699 4.51 X 10-4

3 c= 1.125 d= 0.071 in 0.079 5.1 X 10-5

4 e= 1.125 f= 0.071 in 0.079 5.1 X 10-5

5 g= 1.125 h= 0.071 in 0.079 5.1 X 10-5

Para esto, utilizaremos las siguientes formulas:

CÁLCULOS POR EXTENSOMETRIA

DEFORMACIÓN UNITARIA REAL

S

Dónde:

= Deformación unitaria real [m/m] ó [in/in].

S = Deformación unitaria registrada [m/m] ó [in/in]. *

= Deformación unitaria inicial [m/m] ó [in/in]. **

*Lectura obtenida de la deformación unitaria

** La lectura que inicialmente se tendrá de la deformación, cuando se tengan montadas

las galgas en sus respectivas áreas transversales con los aditamentos y el dinamómetro

(cargas iniciales).

Esta deformación inicial se tendrá que restar a cada análisis para conocer cuál es el valor

real de la deformación unitaria para cada carga aplicada.

ESFUERZO (POR EXTENSOMETRIA).

Dónde:

= Esfuerzo normal (Por extensometria) [N/ m²] ó [lb/ in²].

= = Deformación unitaria real [m/m] ó [in/in].

= módulo de elasticidad del material (módulo de Young). [MPa] ó [psi].


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156

CÁLCULOS POR RESISTENCIA DE MATERIALES

ESFUERZO (POR RESISTENCIA DE MATERIALES)

Dónde:

= Esfuerzo normal (Por resistencia de materiales) [N/ m²] ó [lb/ in²].

𝑃 = Fuerza aplicada de forma perpendicular a la superficie [N] ó [lbf].*

𝐴 = Área de la sección en donde se aplicara la fuerza [m²] ó [in²]. **

*Fuerza (Carga) aplicada con el dinamómetro.

** Áreas de las secciones transversales (Ver Figura 101 y Tabla 17).


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157

3.6.1.1. GALGA EXTENSOMETRICA 1 y 2.

Tabla 18: Datos y cálculos obtenidos para deformación (Sensor 1 y 2)*.

Fuerza

―Carga‖

Aplicada

(𝑃)

Deformación

unitaria

registrada

S

Deformación

unitaria

inicial

Deformación

unitaria

real

1 26.98 lbf 115 X 10−6 in/in

12 X 10−6 in/in

3.04 X 10−7 m/m

1.03 X 10−4 in/in

120 N 2.92 X 10−6 m/m 2.61 X 10−6 m/m

2 33.72 lbf 145 X 10−6 in/in 1.33 X 10−4 in/in

150 N 3.68 X 10−6 m/m 3.37 X 10−6 m/m

3 44.96 lbf 202 X 10−6 in/in 1.9 X 10−4 in/in

200 N 5.13 X 10−6 m/m 4.82 X 10−6 m/m

4 56.2 lbf 252 X 10−6 in/in 2.4 X 10−4 in/in

250 N 6.40 X 10−6 m/m 6.09 X 10−6 m/m

5 67.44 lbf 295 X 10−6 in/in 2.83 X 10−4 in/in

300 N 7.49 X 10−6 m/m 7.18 X 10−6 m/m

NOTA: Como las lecturas de la deformación se dan en sistema inglés, se hacen las conversiones

pertinentes a sistema métrico. Ejemplo: (

⁄ ⁄

⁄ ⁄ )

Tabla 19: Datos y cálculos obtenidos para esfuerzos (Sensor 1 y 2)*.

Fuerza

―Carga‖

Aplicada

(𝑃)

Deformación

unitaria

real

Módulo de

elasticidad

Área

Sección

Transversal.

Esfuerzo

por

extensometria

Esfuerzo

por

resistencia

de materiales

1 26.98 lbf 1.03 X 10−4 in/in

29000 psi

199.95 MPa

0.699 in²

4.51 X 10−4 m²

2.987 psi 38.59 psi

120 N 2.61 X 10−6 m/m 0.0205 MPa 0.2660 MPa

2 33.72 lbf 1.33 X 10−4 in/in 3.857 psi 48.24 psi

150 N 3.37 X 10−6 m/m 0.0265 MPa 0.3326 MPa

3 44.96 lbf 1.9 X 10−4 in/in 5.51 psi 64.32 psi

200 N 4.82 X 10−6 m/m 0.0379 MPa 0.4434 MPa

4 56.2 lbf 2.4 X 10−4 in/in 6.96 psi 80.40 psi

250 N 6.09 X 10−6 m/m 0.0479 MPa 0.5543 MPa

5 67.44 lbf 2.83 X 10−4 in/in 8.207 psi 96.48 psi

300 N 7.18 X 10−6 m/m 0.0565 MPa 0.6652 MPa

* Las tablas anteriores aplican para los sensores 1 y 2, ya que el área de la sección transversal es la

misma para estos sensores.


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158

Figura 102: Grafica, Deformación vs Esfuerzo por extensometria (Sensor 1 y 2).

Figura 103: Grafica, Deformación vs Esfuerzo por resistencia de materiales

(Sensor 1 y 2).


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159

3.6.1.2. GALGA EXTENSOMETRICA 3,4 y 5.

Tabla 20: Datos y cálculos obtenidos para deformación (Sensor 3,4 y 5)*.

Fuerza

―Carga‖

Aplicada

(𝑃)

Deformación

unitaria

registrada

S

Deformación

unitaria

inicial

Deformación

unitaria

real

1 26.98 lbf 115 X 10−6 in/in

12 X 10−6 in/in

3.04 X 10−7 m/m

1.03 X 10−4 in/in

120 N 2.92 X 10−6 m/m 2.61 X 10−6 m/m

2 33.72 lbf 145 X 10−6 in/in 1.33 X 10−4 in/in

150 N 3.68 X 10−6 m/m 3.37 X 10−6 m/m

3 44.96 lbf 202 X 10−6 in/in 1.9 X 10−4 in/in

200 N 5.13 X 10−6 m/m 4.82 X 10−6 m/m

4 56.2 lbf 252 X 10−6 in/in 2.4 X 10−4 in/in

250 N 6.40 X 10−6 m/m 6.09 X 10−6 m/m

5 67.44 lbf 295 X 10−6 in/in 2.83 X 10−4 in/in

300 N 7.49 X 10−6 m/m 7.18 X 10−6 m/m

NOTA: Como las lecturas de la deformación se dan en sistema inglés, se hacen las conversiones

pertinentes a sistema métrico. Ejemplo: (

⁄ ⁄

⁄ ⁄ )

Tabla 21: Datos y cálculos obtenidos para esfuerzos (Sensor 3,4 y 5)*.

Fuerza

―Carga‖

Aplicada

(𝑃)

Deformación

unitaria

real

Módulo de

elasticidad

Área

Sección

Transversal.

Esfuerzo

por

extensómetria

Esfuerzo

por

resistencia

de materiales

1 26.98 lbf 1.03 X 10−4 in/in

29000 psi

199.95 MPa

0.079 in²

5.1 X 10−5 m²

2.987 psi 341.5 psi

120 N 2.61 X 10−6 m/m 0.0205 MPa 2.35 MPa

2 33.72 lbf 1.33 X 10−4 in/in 3.857 psi 426.8 psi

150 N 3.37 X 10−6 m/m 0.0265 MPa 2.94 MPa

3 44.96 lbf 1.9 X 10−4 in/in 5.51 psi 569.1 psi

200 N 4.82 X 10−6 m/m 0.0379 MPa 3.92 MPa

4 56.2 lbf 2.4 X 10−4 in/in 6.96 psi 711.3 psi

250 N 6.09 X 10−6 m/m 0.0479 MPa 4.90 MPa

5 67.44 lbf 2.83 X 10−4 in/in 8.207 psi 853.6 psi

300 N 7.18 X 10−6 m/m 0.0565 MPa 5.88 MPa

* Las tablas anteriores aplican para los sensores 3,4 y 5, ya que el área de la sección transversal es la

misma para estos sensores.


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160

Figura 104: Grafica, Deformación vs Esfuerzo por extensómetria (Sensor 3,4 y 5).

Figura 105: Grafica, Deformación vs Esfuerzo por resistencia de materiales

(Sensor 3,4 y 5).


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161

CAPÍTULO IV

ANÁLISIS DE LAS SILLETAS POR

MÉTODOS COMPUTACIONALES.


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162

4.1. MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO (M.E.F.)

En el Método del Elemento Finito una región continua compleja se discretiza en

formas geométricas simples, que son llamados elementos finitos. Estos elementos

finitos son ensamblados y se les aplica las restricciones y cargas a las que estarán

sometidos, lo que permitirá obtener un conjunto de ecuaciones. La solución de

estas ecuaciones permite determinar los desplazamientos nodales, con estos

valores se determinan las deformaciones unitarias, conociendo éstas se

determinan los esfuerzos.

El FEM puede ser utilizado para calcular diversos parámetros que son

dependientes de la naturaleza del problema, para ello se requiere la selección

adecuada de un modelo matemático conocido que se emplee para analizar el

objeto de estudio; sin embargo un hecho prevalece en todos los casos.

El procedimiento para resolver los problemas es el mismo y consiste en que a

cada elemento finito estudiado aisladamente se le aplica la teoría clásica de

cálculo, lo que es posible dada la forma sencilla elegida (triángulos,

rectángulos,…) estableciéndose las condiciones de contorno y equilibrio a través

de los nodos.

Esta discretización de la estructura permite su resolución planteando un sistema

de ecuaciones lineales y se aplica fácilmente a cualquier estructura por

complicadas que sean sus características geométricas y condiciones de carga.

Para llevar a cabo esto, se necesitan un gran número de operaciones

matemáticas, que debido a naturaleza repetitiva se adaptan con total

normalidad a la programación numérica y a su resolución con ordenador.


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163

4.2. ANTECEDENTES HISTORICOS DEL (M.E.F.)

El análisis de elementos complicados en los primeros años del siglo veinte no era

posible dado que no se contaba con métodos que permitieran resolver modelos

muy complicados, ya fuera por lo difícil del análisis o por lo tardado del mismo.

Por lo que se propusieron varios métodos de discretización, con el fin de

aproximar la solución obtenida a la solución real de un problema continuo.

A principios de los 1940 Mc Herry, Hrenikoff y Newmark, demostraron que se puede

obtener soluciones razonablemente buenas de un problema continuo

sustituyendo pequeñas porciones del continuo por una distribución de barras

elásticas simples.

También se demostró que se pueden sustituir las propiedades del continuo de un

modo más directo, suponiendo que las pequeñas porciones del mismo o

―elementos2, se comportan de una cierta forma simplificada.

Aunado a lo anterior se contaba con los primeros avances en la teoría del

elemento finito, la cual tampoco se había desarrollado completamente por los

mismos problemas de no contar con métodos prácticos para poder realizar los

análisis.

En el periodo de 1950 – 1960, ante la aparición de las primeras computadoras las

cuales podían realizar una infinidad de cálculos rápidamente, se definió la

utilización práctica del Elemento Finito, su aplicación a la teoría de la elasticidad,

se trabajó en el continuo refinamiento de éste, así como su idealización.

La primera referencia del método del elemento finito como tal fue dada por

Turner, Clough y Top en 1956. Siguieron a esta una serie de artículos en los que se

referenciaba la aplicación de éste en el estudio de elementos estructurales y

sólidos.

En 1965 Zienkiewicz y Cheung, aplicaron este método a problemas de

conducción y transferencia de calor. Posteriormente surgió la aplicación de este

método a mecánica de fluidos.

En la década de los 60´s, la enseñanza en ingeniería en los Estados Unidos de

América sufrió una orientación hacia una mayor aplicación de las matemáticas,

enfocándose en algunos casos a la sustitución de cursos de resistencia de

materiales, por cursos de teoría de la elasticidad o mecánica del medio continuo,

esta tendencia estimulo que se aplicara la computación con la finalidad de servir

a la solución de problemas matemáticos y por consiguiente la utilización en

ingeniería del Método del Elemento Finito (M.E.F.).


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164

Este se aplicó en el diseño de vehículos espaciales en la industria aeroespacial,

iniciándose con ello el cambio de estructuras robustas a estructuras de cascarón

de bajo peso con altas curvas. También se estudiaron las limitaciones y defectos

en la fase de representación de los cascarones, en el modelado por elemento

finito, se examinaron las diferentes curvaturas de los cascarones, se estudiaron

diferentes elementos geométricos para representar diversas curvaturas. Se trabajó

en la ecuación de esfuerzos - deformación, así como en el campo de

desplazamientos.

En 1966, se generó la representación en forma sencilla de segmentos de cilindros

circulares, para utilizarla en el elemento finito y en la etapa de maduración, en

1969, se generan un número importante de elementos finitos para aplicarlos en

diferentes tipos de problemas. Esto permitió mejorar las formulaciones existentes,

por lo que las actividades teóricas y computacionales se encaminaron en el

mismo sentido.

Durante los años 70´s, se desarrolló su aplicación en el diseño de reactores

nucleares, lo que originó que ya no se pensara en elementos de cascaron, sino en

elementos que contaran con volumen, originando con esto que trabajara con

elementos sólidos.

Por lo que el M.E.F. se debió de adecuar a elementos tridimensionales (3-D),

modificándose la teoría clásica, para lograr que los cálculos fueran fáciles de

realizar por los medios computacionales con los que se contaba, así como a un

bajo costo.

En los últimos años entre otros trabajos se ha utilizado este método con la finalidad

de realizar análisis de vibraciones en piezas de maquinaria y miembros de

construcciones, análisis de la propagación de grietas (mecánica de la fractura,

optimización de prótesis (biomecánica), análisis estáticos no lineales y dinámicos

en cascarones delgados y gruesos, análisis del campo de flujo de calor, análisis

del campo de flujo de fluidos, análisis del campo de flujo magnético.

Es de interés especial la unión del Método del Elemento Finito (F. E. M.) y el

Método del Elemento Frontera (B. E. M.) , la cual está basada en la variación de

pesos residuales. Ambos métodos numéricos son generalmente utilizados en una

gran variedad de problemas de ingeniería.

El método del elemento finito da buenos resultados en problemas de dominio

finito, como son: membranas, placas delgadas, estructuras de edificios, en

dominios donde las propiedades del material son constantes y dominios donde no

se tienen conductas no - lineales.


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165

En contraste el método del elemento frontera es bueno para dominios infinitos,

lográndose con esto reducir la dimensión del problema y simplificar las

consideraciones a tomarse en cuenta para el modelado.

Cuando se tiene un dominio homogéneo y no lineal, no se utiliza solamente uno

de los métodos antes indicados, sino que se utiliza un método híbrido, dado que

un método será preferible para una parte del dominio y el otro para la otra parte,

lográndose aprovechar mejor el potencial de cada uno de estos métodos.

Modelándose la porción del dominio en estudio con elementos finitos y el resto de

la región con elementos frontera, generándose una región intermedia llamada

región de transición (T R), la cual sirve de interface entre las dos regiones antes

mencionadas, para tal fin se cuenta con una función de transición la cual tiene

un valor unitario en la interface BE-TR y un valor cero en la interface TR-FE.

Lo anterior nos da una idea de la forma en que se va desarrollando el elemento

finito, así como la forma en que éste se va entrelazando con otros métodos

numéricos para mejorar los resultados obtenidos con el y ampliar su campo de

aplicación.

La utilización del M. E. F. permite realizar la simulación de los efectos que causaría

en el elemento en estudio, la variación de las condiciones de trabajo a que

estaría expuesto, sin tener que realizar pruebas físicas sobre prototipos del

elemento.

Por otra parte permite generar un diseño adecuado de un elemento, que sin la

ayuda de este método, podría ser muy costoso y económicamente inviable.

4.3. FUNDAMENTOS DEL MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO.

El método del Elemento Finito, es un procedimiento general de discretización de

problemas continuos planteados por expresiones definidas matemáticamente. Es

una técnica numérica utilizada para obtener una solución aproximada a un

problema.

El concepto fundamental de método, es representar el dominio de un problema

complejo (una estructura, unos elementos, una parte de maquinaria, etc.) en un

conjunto de subdominios (elementos finitos). Obteniéndose las ecuaciones que

modelan cada uno de los subdominios, procediendo posteriormente, a generar

con las ecuaciones obtenidas a generar un gran sistema de ecuaciones el cual es

resuelto mediante métodos numéricos.

Este método es muy aceptado por la facilidad con que las ecuaciones que utiliza

pueden ser resueltas por computadoras, siendo que estas están planteadas

mediante matrices.


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166

En este método es importante conservar la continuidad del dominio, en otras

palabras es necesario que un elemento finito esté conectado con los elementos

finitos adyacentes a éste. Esto se logra mediante unos puntos que se encuentran

en la periferia del mismo, los cuales son denominados nodos.

Estos permiten transmitir la acción externa que se aplica a un elemento finito a los

adyacentes al mismo. El nivel de transmisión del efecto dependerá del tipo de

elemento finito utilizado.

Los nodos se pueden clasificar en externos e internos:

Nodos externos: Son aquellos situados en las fronteras de los elementos.

Estos pueden ser primarios o secundarios. Los primarios representan el

comportamiento de la incógnita y se ubican en los vértices del elemento, los

secundarios se ubican en las líneas que unen a los nodos primarios y se utilizan

para representar el comportamiento de la incógnita con mayor precisión.

Nodos internos: Se utilizan en elementos bidimensionales y tridimensionales,

Utilizándose para lograr una mejor aproximación a la solución.

En el análisis de vigas anteriormente se indicó que tiene gran importancia

determinar los esfuerzos y deformaciones en las mismas, por lo que a continuación

se indicara un procedimiento general para realizar un análisis por elemento finito.

4.4. MÉTODO COMPUTACIONAL (ANSYS).

Este es un método alternativo de análisis, mediante el elemento finito y con el

mismo se puede observar los esfuerzos y deformaciones que se presentan en los

componentes a analizar (en este caso las silletas, que son las que soportan las

cargas).

Este método tanto puede ser preciso y erróneo ya que estos paquetes

computacionales dividen el elemento en miles de partes y las analiza; pero el

error se presenta en una mala distribución de las cargas en cierto punto, donde

no debiera de ser y eso alteraría definitivamente nuestro análisis.


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167

4.4.1. ANÁLISIS DE LAS SILLETAS MEDIANTE EL M.E.F.

Como es bien sabido, este proyecto está enfocado al comportamiento de las

silletas en el recipiente, así que el siguiente análisis estará direccionado a las

mismas.

Los soportes del recipiente (silletas) serán responsables de soportar todo el peso

que representa el recipiente, por lo que su diseño debe tolerar los esfuerzos y

cargas para el cual fueron diseñadas.

Cabe destacar que las dimensiones con las cuales partimos este análisis

computacional son de una escala de 1:7, (silleta calculada mediante

extensometria) por lo tanto las cargas y resultados pueden diferir en

comparación con los resultados obtenidos con los cálculos anteriores.

1.- Lo primero que se realiza es el trazo de coordenadas que son las que nos

permitirán el trazo de la silueta de la silleta (Figura 106).

Figura 106: Coordenadas para el trazo inicial de la silleta.


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168

2.- De las coordenadas anteriores, se procede al trazo y unión de las mismas

(Figura 107).

Figura 107: Trazo y unión de las coordenadas.

3.- Una vez trazada la silueta de la silleta, se hace el mallado en 3D (Figura 108,109

y 110).

Figura 108: Mallado de la silleta en 3D.


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169

Figura 109: Vista lateral del mallado de la silleta en 3D.

Figura 110: Mallado principal en el soporte del recipiente.


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170

4.- Una vez hecho el mallado en 3D, se aplican las cargas en las silletas,

observando la deformación que sufre la silleta, así como el esfuerzo que este

presenta (Figura 111, 112, 113,114).

Figura 111: Aplicación de cargas en la silleta.


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171

Figura 112: Restricciones de desplazamiento y cargas en la silleta.

Figura 113: Deformación debida a la carga aplicada.


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172

Figura 114: Deformación en los soportes debida a la carga aplicada.

Figura 115: Esfuerzos estructurales en la silleta.


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173

CAPÍTULO V

ESTUDIO ECONÓMICO.


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174

5.1. ESTUDIO DE MERCADO.

El estudio de mercado consiste en una iniciativa empresarial con el fin de hacerse

una idea sobre la viabilidad comercial de una actividad económica.

Como es sabido, el campo de uso de los recipientes a presión es muy amplio ya

que en todas las industrias tanto manufactureras, química y farmacéutica son

ampliamente utilizadas como parte de procesos en los mismos.

En la industria manufacturera es utilizado como dispositivo de

almacenamiento de aire comprimido para utilizarlo para arrancar procesos

neumáticos

En la industria química para almacenamiento de sustancias químicas tanto

corrosivas como no corrosivas o productos radioactivos.

En la farmacéutica como parte de procesos para la creación de

medicamentos y sustancias antisépticas.

5.2. INVERSIÓN.

Una inversión, en el sentido económico, es una colocación de capital para

obtener una ganancia futura. Esta colocación supone una elección que resigna

un beneficio inmediato por uno futuro y por lo general improbable.

5.2.1. TIPOS DE INVERSIÓN.

INVERSIONES FIJAS: Es la incorporación al aparato productivo de bienes

destinados a aumentar la capacidad global de la producción. También se le

llama formación bruta de capital fijo. Las principales clases de inversión fija son

equipo y maquinaria (maquinaria, equipo de trabajo, equipo de reparto, equipo

de seguridad, equipo de cómputo, y equipo de oficina).

https://es.wikipedia.org/wiki/Empresa

http://www.monografias.com/trabajos/seguinfo/seguinfo.shtml

http://www.monografias.com/trabajos13/mapro/mapro.shtml


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175

INVERSIONES AMORTIZABLES: Es una deducción tributaria permitida para

recuperar ciertas inversiones necesarias para llevar a cabo la actividad

comercial.

La amortización de inversiones debe hacerse en un término mínimo de cinco (5)

años, salvo que se demuestre que la naturaleza del negocio requiere hacerlo en

menos años. Actualmente los activos amortizables no están sujetos a ajustes por

inflación.

En base a esto se deben adecuar todos los gastos tales como:

Mano de obra

Material mecánico

Nomina

Servicios

Fiscales

Maquinaria

Inmuebles

5.3. COSTO.

Costo es el sacrificio, o esfuerzo económico que se debe realizar para lograr un

objetivo.

Los objetivos son aquellos de tipo operativos, como por ejemplo: pagar los sueldos

al personal de producción, comprar materiales, fabricar un producto, venderlo,

prestar un servicio, obtener fondos para financiarnos, administrar la empresa, etc.

Si no se logra el objetivo deseado, decimos que tenemos una pérdida.

La mercadería que se deteriora por contaminación y queda inutilizada, es una

pérdida; porque, a pesar del esfuerzo económico no tiene un objetivo

determinado.

También es necesario precisar algunos conceptos que se utilizan para definir y

caracterizar aspectos relacionados con el tema que estamos analizando. Por

ejemplo: Desembolso, Amortizaciones e Inversión.

El costo es fundamentalmente un concepto económico, que influye en el

resultado de la empresa. Uno puede comprar un insumo mediante un pago en

dinero (erogación), pero hasta que ese insumo no sea incorporado al producto

que se elabora y luego se vende, no constituye un costo. Es un desembolso.

http://www.monografias.com/trabajos28/induccion-deduccion/induccion-deduccion.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/amortizacion-gradual/amortizacion-gradual.shtml#SISTEM

http://www.monografias.com/trabajos36/naturaleza/naturaleza.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/contabm/contabm.shtml


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176

Hay bienes que se compran y que se utilizan en el sistema productivo, pero que

no se incorporan al producto como insumo, sino que se utilizan durante un tiempo

para ayudar en su elaboración. Por ejemplo: maquinarias, equipos, instalaciones,

bienes de uso, etc.

A estos bienes se les practica lo que se denomina amortización o depreciación,

por un importe que está relacionado con su vida útil, el desgaste, la

obsolescencia técnica, etc.; y se carga dicho importe en forma proporcional al

producto. Esto constituye un costo, aunque el desembolso se hizo en el pasado.

La compra de una máquina o de una herramienta de trabajo generalmente

demanda un fuerte desembolso inicial que, si fuera tenido en cuenta en ese

momento para calcular los costos produciría una fuerte distorsión en los mismos.

5.3.1. TIPOS DE COSTOS.

Es necesario clasificar los costos de acuerdo a categorías o grupos, de manera tal

que posean ciertas características comunes para poder realizar los cálculos, el

análisis y presentar la información que puede ser utilizada para la toma de

decisiones.

COSTOS FIJOS: Son aquellos costos cuyo importe permanece constante,

independiente del nivel de actividad de la empresa. Se pueden identificar y

llamar como costos de "mantener la empresa abierta", de manera tal que se

realice o no la producción, se venda o no la mercadería o servicio, dichos costos

igual deben ser solventados por la empresa.

Por ejemplo:

1. Alquileres

2. Amortizaciones o depreciaciones

3. Seguros

4. Impuestos fijos

5. Servicios Públicos (Luz, TE., Gas, etc.)

6. Sueldo y cargas sociales de encargados, supervisores, gerentes, etc.


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177

COSTOS VARIABLES: Son aquellos costos que varían en forma proporcional, de

acuerdo al nivel de producción o actividad de la empresa. Son los costos por

"producir" o "vender".

Por ejemplo:

Mano de obra directa (a destajo, por producción o por tanto).

Materias Primas directas.

Materiales e Insumos directos.

Impuestos específicos.

Envases, Embalajes y etiquetas.

Comisiones sobre ventas.

5.3.1.1. COSTO DE PRODUCCIÓN.

Son los que permiten obtener determinados bienes a partir de otros, mediante el

empleo de un proceso de transformación.

Por ejemplo:

Costo de la materia prima y materiales que intervienen en el proceso

productivo

Sueldos y cargas sociales del personal de producción.

Depreciaciones del equipo productivo.

Costo de los Servicios Públicos que intervienen en el proceso productivo.

Costo de envases y embalajes.

Costos de almacenamiento, depósito y expedición.

5.3.1.2. COSTO DE COMERCIALIZACIÓN.

Es el costo que posibilita el proceso de venta de los bienes o servicios a los

clientes.

Por ejemplo

Sueldos y cargas sociales del personal del área comercial.

Comisiones sobre ventas.

Fletes, hasta el lugar de destino de la mercadería.

Seguros por el transporte de mercadería.

Promoción y Publicidad.

Servicios técnicos y garantías de post-ventas.


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178

5.3.1.3. COSTO DE ADMINISTRACIÓN.

Son aquellos costos necesarios para la gestión del negocio.

Por ejemplo:

Sueldos y cargas sociales del personal del área administrativa y general de

la empresa

Honorarios pagados por servicios profesionales.

Servicios Públicos correspondientes al área administrativa.

Alquiler de oficina.

Papelería e insumos propios de la administración.

5.3.1.3. COSTO DE FINANCIACIÓN.

Es el correspondiente a la obtención de fondos aplicados al negocio.

Por ejemplo:

Intereses pagados por préstamos.

Comisiones y otros gastos bancarios.

Impuestos derivados de las transacciones financieras.

5.4. PRESUPUESTO.

Se llama presupuesto al cálculo y negociación anticipado de los ingresos y

egresos de una actividad económica (personal, familiar, un negocio, una

empresa, una oficina, un gobierno) durante un período, por lo general en forma

anual. Es un plan de acción dirigido a cumplir una meta prevista, expresada en

valores y términos financieros que debe cumplirse en determinado tiempo y bajo

ciertas condiciones previstas, este concepto se aplica a cada centro de

responsabilidad de la organización.1 El presupuesto es el instrumento de desarrollo

anual de las empresas o instituciones cuyos planes y programas se formulan por

término de un año.

https://es.wikipedia.org/wiki/Presupuesto#cite_note-1


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179

5.4.1. PRESUPUESTO DE RECIPIENTE A PRESIÓN PARA ALMACENAMIENTO DE METANOL.

El presupuesto que a continuación se desglosa, está calculado para la

elaboración de un recipiente a presión para almacenar metanol.

Cabe mencionar que las cantidades estimadas están calculadas con un tiempo

de fabricación de 4 semanas (2 Quincenas).

ÁREA DE PRODUCCIÓN:

COSTOS DE MANO DE OBRA

CONCEPTO CANTIDAD

COSTO UNITARIO

QUINCENAL

TOTAL

(2 Quincenas)

Personal de manufactura

5

$900.00

$9,000.00

Ingenieros

2

$7,500.00

$30,000.00

Renta de equipo y planta

1

$10,000.00

$20,000.00

Pruebas de

Soldadura, Hidrostática, Etc.

1

$4,500.00

$9,000.00

Transportación

1

$1,000.00

$2,000.00

Costo total

$70,000.00


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180

ÁREA DE CONTROL DE CALIDAD:

CANTIDAD

CONCEPTO COSTO UNITARIO

QUNCENAL

TOTAL

(2 Quincenas)

2

Sueldo de supervisores $6,000.00 $24,000.00

2

Sueldo personal de

pruebas $5,000.00 $20,000.00

1

Papelería $600.00 $1200.00

COSTO

TOTAL $45,200.00

INVESTIGACIÓN DE MERCADO:

CANTIDAD


QUINCENAL

TOTAL

(2 Quincenas)

1

Estudios de

publicidad

$5,000.00

$5,000.00

1

Diseñador $3,000.00 $3,000.00

1

Comerciales $10,000.00 $10,000.00

2

Espectaculares $5,000.00 $5,000.00

COSTO

TOTAL

$23,000.00


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181

HIGIENE Y SEGURIDAD:

CANTIDAD

CONCEPTO

COSTO UNITARIO

QUINCENAL

TOTAL

(2 Quincenas)

3

Personal de supervisión $5,000.00 $30,000.00

1

Personal para asignar

áreas de seguridad $1,500.00 $1,500.00

1

Cursos de seguridad

industrial $4,000.00 $4,000.00

5

Equipo de seguridad

industrial $ 500.00 $5,000.00

1

Equipo de señalización $2,000.00 $2,000.00

COSTO

TOTAL

$42,500.00

CONTABILIDAD Y TESORERIA:

CANTIDAD


QUINCENAL

TOTAL

(2 Quincenas)

2

Personal para inventario $1,000.00 $2,000.00

2

Personal para realizar

pagos $800.00 $1,600.00

1

Papelería $200.00 $400.00

COSTO

TOTAL

$4,000.00


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182

MATERIA PRIMA (MATERIAL):

ELEMENTO O PIEZA CANTIDAD COSTO

UNITARIO TOTAL

Sección Cilíndrica

(Casco) 1 $ 40,000.00 $ 40,000.00

Cabezas Semielípticas

(Tapas) 2 $ 10,000.00 $ 20,000.00

Soportes (Silletas) 2 $ 12,000.00 $ 24,000.00

Orejas de Izaje 2 $ 1,000.00 $ 2,000.00

Boquillas de alimentación 2 $ 800.00 $ 1,600.00

Boquillas de descarga 1 $ 800.00 $ 800.00

Coples para accesorios 8 $ 100.00 $ 800.00

Accesorios

(Manómetros, Medidores

de temperatura, etc.)

8 (Variable) $ 6,000.00

Tubería --- (Variable) $ 3,000.00

COSTO TOTAL

(Aproximado) $ 98,200.00


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183

5.4.2. COSTO TOTAL DEL RECIPIENTE.

ÁREA O CONCEPTO

COSTO

Producción

$70,000.00

Control de calidad

$45,200.00

Investigación de mercado

$23,000.00

Higiene y seguridad

$42,500.00

Contabilidad y tesorería

$4,000.00

Material

$98,200.00

COSTO TOTAL DEL RECIPIENTE

$282,900.00


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CONCLUSIONES.

En un principio se tomaron en cuenta las características de la sustancia a

almacenar en este caso METANOL, para ser más específico la presión crítica a la

cual esta sustancia se encuentra, por lo que en base en eso se procedió a iniciar

los cálculos por presión interna la cual siempre o casi siempre será mayor a la

presión externa, ya que estamos hablando de recipientes a presión.

Una vez hechos los cálculos y obteniendo los valores por presión interna, el

siguiente paso es iniciar el cálculo por presión externa la cual fue menor a la

interna, por lo cual nuestro recipiente no requirió de anillos atizadores dichos

anillos son empleados cuando la presión externa es mayor a la interna por lo que

el recipiente tendería a chuparse por decirlo de alguna forma, siendo los anillos

atizadores el elemento para evitar este fenómeno, sin embargo aunque no los

requiera se calcularon como ejemplo práctico en caso de haberlos necesitado,

por lo que se investigó que tipo de anillo atiesador más conveniente, calculando

sus momentos de inercia el cual sirve para ver de la posición que mejor actuara al

colocarlo.

Una parte importante es el cálculo del peso del recipiente tanto lleno como

vacío, para el primer caso suponiendo que el recipiente estuviera lleno, el cálculo

se hace como si este estuviera lleno de agua, por lo que se determina el peso del

volumen de agua que puede contener el recipiente anexando también el peso

mismo del recipiente pero vacío, más un porcentaje adicional por accesorios.

Este peso nos servirá para saber cuánto tendrán que cargar las silletas.

Como siguiente paso se procedió a calcular una de las cosas más importantes en

el diseño de un recipiente a presión la cual es la determinación de los esfuerzos en

las silletas las cuales son los elementos que soportaran el peso del recipiente lleno,

estas se calculan de varias maneras y utilizando varios parámetros y constantes

contenidas en la norma ASME sección VIII como por ejemplo el esfuerzo a la

mitad del claro correspondiente a S1 y así sucesivamente hasta llegar a S6.

Como ya se mencionó antes, para el peso del recipiente, se tendrán que

considerar los accesorios, los cuales son aditamentos que servirán al recipiente

para que el usuario realice revisiones en el recipiente.


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La selección de accesorios se hizo en función de las características de nuestro

recipiente, para el caso del manómetro se tomó el rango de presión un poco

mayor por seguridad, en caso del termómetro de caratula se tomó en cuenta las

temperaturas de trabajo del metanol.

Para la prueba de extensómetria en la silleta se utilizaron Strain Gages uniaxiales

para poder medir la deformación en diferentes puntos de la silleta aplicándole

diferentes cargas.

Apoyándose por el método del elemento finito (ANSYS) se procedió a modelar

nuestra silleta en dicho programa, esto primero estableciendo la programación

en bloc de notas por coordenadas, para posteriormente correrlo en el programa

y una vez modelado se le aplicaron cargas equivalentes en los mismos puntos en

que se colocaron las Strain Gages y determinar deformaciones.

Para finalizar se realizó una comparativa entre el análisis experimental de

esfuerzos (Strain Gages) contra el método de elemento finito (ANSYS) por lo que

se concluye que uno es complemento de otro, ya que se encontró que resultaría

más exacto ubicar las galgas en la silleta en las zonas donde haya mayor

deformación, esto en base a lo obtenido en el análisis realizado en ANSYS ya que

al realizar primero la prueba experimental no se podría determinar exactamente

donde sufriría mayor deformación en las silletas y poder así ubicar las Strain

Gages, a pesar de las variaciones entre un método y otro no fueron significativas.


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BIBLIOGRAFÍA.

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Diccionario wiki pedía. (Internet).

…

―anÁlisis de los esfuerzos en las silletas de un

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