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DECANATO DE ESTUDIOS DE POSTGRADOESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA MECÁNICA
INFORME ANALISIS DE FLEXIBILIDAD
SARTENEJAS, 28
PROF. RAÚL GONCALVES
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVARDECANATO DE ESTUDIOS DE POSTGRADO
LIZACIÓN EN INGENIERÍA MECÁNICA EN PLANTAS DE PROCESOSISTEMAS DE TUBERIAS I
INFORME ANALISIS DE FLEXIBILIDAD
SARTENEJAS, 28 DE ABRIL DE 2013
INTEGRANTESLUIS GUAITASAMUEL OSORIO
EN PLANTAS DE PROCESO
INTEGRANTES: LUIS GUAITASAMUEL OSORIO
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INDICE
1.INTRODUCCIÓN................................................................................................................... 3
2.ALCANCE............................................................................................................................. 3
3.NORMAS DE DISEÑO ........................................................................................................... 3
4.BASES Y PREMISAS DE DISEÑO............................................................................................. 3
5.METODOLOGIA ................................................................................................................... 4
6.ANALISIS DE RESULTADOS ................................................................................................... 5
7.CONCLUSIONES ................................................................................................................. 13
8.ANEXOS ............................................................................................................................ 14
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1. INTRODUCCIÓN
El presente informe contempla la evaluación, diagnóstico y propuesta de solución a problemas específicos presentes en la línea 6”- 4007 - A3, de manera de garantizar la integridad mecánica de las tuberías y equipos involucrados, evitando condiciones de carga que puedan generar esfuerzos por encima de los máximos valores permisibles por los códigos aplicables, propiciando fugas o roturas en las tuberías y daños a los equipos.
2. ALCANCE
En términos generales, el sistema de tuberías sujeto al análisis formal de esfuerzos como parte del alcance de este informe comprende la línea 6”- 4007 - A3ubicada entre el intercambiador de calor E-6311 y el separador D-6314. Adicionalmente se incluye laevaluación de la estación de control 4”-300#-RF.
Para evaluar el comportamiento de la línea 6”- 4007 - A3se consideraron las condiciones de Cargas Sostenidas, Expansión Térmica y Operación de acuerdo a los lineamientos del Código ASME B31.3. Quedando excluidos los efectos del viento y cargas sísmicas.
3. NORMAS DE DISEÑO
Las normas de diseño aplicables a esta evaluación se listan a continuación:
American Society of Mechanical Engineers (ASME)
ASME B31.3 “ProcessPiping”
ASME B16.9 “Factory-Made Wrought Buttwelding Fittings”
ASME B16.5 “Pipe Flanges and Flanged Fittings”
ASME B36.10 “Welded and Seamless Wrought Steel Pipe”
ASME B16.10 “Face-to-Face and End-to-End Dimensions of Valves”
4. BASES Y PREMISAS DE DISEÑO
4.1. CONDICIONES DE OPERACION.
Temperatura Ambiente: 30 0C Temperatura de Diseño: 400 0C Presión de Diseño: 150 psi
4.2. TUBERIAS.
6” SCH STD-A106 Gr A 8” SCH STD-A106 Gr A
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Corrosión Permitida: 1/16” Tolerancia de Fabricación: 12.5% Aislante: Lana Mineral 2”de espesor Gravedad Especifica del Fluido: 1.0
4.3. ACCESORIOS.
Todas las bridas y válvulas son clase ANSI 300# Todos los extremos de las válvulas son bridados Todas las bridas son weldingNeck (WN) Todos los codos son radio largo (RL) Todas las conexiones “T” son soldadas.
4.4. SOPORTES Y EQUIPOS.
La temperatura y presión de diseño de los equipos son iguales a las especificadas para las tuberías conectadas a ellos. La fuerza resultante sobre los soportes y equipos debe ser inferior a 5000 lbf, mientras que el momento resultante debe mantenerse por debajo de 7000 lbf-ft
4.5. CASOS DE CARGA.
En la determinación de esfuerzos sobre los sistemas de tubería considerados se evaluarán3 casos, los cuales son:
SUS: Carga sostenida. Parámetros involucrados: Peso, presión y conjunto de fuerzas y/o desplazamientos aplicados a temperatura de diseño.
OPE: Condición de operación. Parámetros involucrados: Peso, presión, desplazamientos y /o conjunto de fuerzas aplicadas a temperatura de operación.(Este caso se utiliza para verificar cargas en boquillas de equipos y soportes de tubería)
EXP: Expansión térmica. Diferencia entre los casos de Operación y Carga Sostenida a temperatura de diseño.
5. METODOLOGIA
La simulación del comportamiento del sistema de tuberías bajo condiciones de operación y diseño se realizaron utilizando el software RAFLEX VP. A continuación se describe el procedimiento y metodología empleada en la simulación, evaluación y solución de las condiciones de esfuerzos en las tuberías y cargas en las Boquillas del sistema en estudio.
Revisión y familiarización con las características del sistema de tuberías sujetas a estudio y sus equipos asociados.
Fijar los límites de batería del sistema.
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Ingreso de las condiciones de presión y temperatura tanto del sistema como ambientales, además de fijar los valores permisibles de los parámetros a evaluar (Código de diseño) en el programa.
Introducción de la data y geometría de las tuberías y equipos (Bajo la figura de desplazamientos externos al sistema).
Simulación del estado de esfuerzos en tuberías (Corrida del Programa).
Revisión y análisis de resultados:Se identifican los puntos críticos y desviaciones en los valores admisibles establecidos (Esfuerzos, reacciones y desplazamientos).Verificar las cargas obtenidas en los nodos correspondientes a conexiones de equipos
De ser necesario, se proponen modificaciones que permitan la mejor solución al punto anterior, ya sea la reubicación de soportes, cambio del tipo de soporte, modificación del recorrido de línea etc.
Revisión y re-evaluación de resultados en función de las modificaciones previas hasta lograr cumplir con los criterios de aceptación establecidos para las tuberías y equipos.
6. ANALISIS DE RESULTADOS.
6.1. SISTEMA ORIGINAL.
Dado que la línea 6”- 4007 - A3 se conecta en sus extremos a equipos (Intercambiador E-6311 y el separador D-6314) y estos se expanden térmicamente de forma diferente a la línea donde están conectados, se propone la simulación de estos equipos como desplazamientos externosincluidos en los nodos extremos de la línea. Siendo las magnitudes de estos desplazamientos las siguientes:
Intercambiador de Calor E-6311 (Nodo 10)
Desplazamiento Externo Eje Y= 5,66 mmDesplazamiento Externo Eje X= - 2,54 mm
Separador D-6314 (Nodo 300)
Desplazamiento Externo Eje Y= 11,55 mmDesplazamiento Externo Eje Z= 6,88 mm
El sistema original a ser evaluado (línea 6”- 4007 - A3) puede verse en la Figura 1, una vez cargados todas las dimensiones y especificaciones en el software RAFLEX VP.
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Figura 1. Vista de la línea 6”- 4007 - A3en Raflex
Los esfuerzos en el sistema de tuberías obtenidos por el software para la condición de carga en sostenido (SUS) se presentan en la tabla 1. Todos los esfuerzos obtenidos en los diferentes sectores del sistema son menores al 30.7% del esfuerzo máximo admisible recomendado por la norma ASME B31.3. También se observa en la tabla 2 que las cargas sobre los soportes bajo esta condición son conservadoras.
Tabla 1. Esfuerzos máximos bajo cargas en Sostenido
Nodo Esfuerzo Máximo (PSI)
Esfuerzo Permisible por ASME B31.3 (PSI) %
131 3267.7 10644.0 30.7129 2822 10644.0 26.5199 3113 3113 29.2140 2823 10644 26.5
Tabla 2. Reacciones en soportes y Equipos en Sostenido
Condición de Carga Magnitud de la Carga Nodo
Maximum X-force 2 lb 300Maximum Y-force -1769 lb 140Maximum Z-force -7 lb 300
Maximum resultant force 1769 lb 140Maximum X-moment 696 lb-ft 190Maximum Y-moment 18 lb-ft 10Maximum Z-moment 103 lb-ft 10
Maximum resultant moment 697 lb-ft 190
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También se verifican los desplazamientos en esta condición (SUS), se observa en la tabla 3 que también son pequeños, por lo que no generan problemas con tuberías y equipos cercanos.
Tabla 3. Desplazamientos máximos en Sostenido
Ubicación Magnitud del desplazamiento Nodo
Maximum X-displacement 0.0296 mm 71Maximum Y- displacement -0.1519 mm 236Maximum Z- displacement 0.1089 mm 89Maximum resultant displ 0.1538 mm 236
Maximum X-rotation -0.0119 deg 131Maximum Y- rotation 0.0010 deg 250Maximum Z- rotation 0.0072 deg 41
Cuando evaluamos el sistema considerando el efecto de las cargas por ExpansiónTérmica(EXP) tenemos los resultados mostrados en la Figura 2. Aquí se observa gráficamente que un tramo de tuberías entre los nodos 91 y 100 sobrepasa los esfuerzos admisibles.Además varios codos están entre el 75%-100% del esfuerzo admisible.
Figura 2. Esfuerzos por expansión térmica (EXP) en la línea 6”- 4007 - A3 en Raflex
El detalle de los resultados obtenidos bajo cargas por expansión (EXP)puede verse en la Tabla 4. Por esta parte conocemos que se deben hacer ajustes en el sistema para disminuir los esfuerzos que superan los límites y los que se encuentran cerca del mismo.
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Tabla 4. Esfuerzos máximos bajo cargas por expansión
Nodo Esfuerzo Máximo (PSI)
Esfuerzo Permisible por ASME B31.3 (PSI) %
100 37284 22661 164.589 22014 22661 97.1
271 20724 22661 91.591 17514 22661 77.3
239 17370 22661 76.7
En la Tabla 5 se muestra un resumen de resultados cuando evaluamos el sistema considerando las cargas en operación (OPE), más específicamente se muestran las cargas sobre equipos y soportes. En este caso de carga es necesario verificar el cumplimiento de los valores resultantes máximos de fuerzas y momentos establecidos, encontrándose que el momento resultante enel Intercambiador de calor E-6311 (nodo 10) supera el máximo establecido.
Tabla 5. Reacciones en soportes y EquiposenOperación
Condición de Carga Magnitud de la Carga Permisible Nodo
Maximum X-force -649lb 300Maximum Y-force -2622lb 190Maximum Z-force -3745lb 10
Maximum resultant force 3918lb 5000lb 10Maximum X-moment -13891lb-ft 10Maximum Y-moment -7944lb-ft 10Maximum Z-moment -4084lb-ft 10
Maximum resultant moment 16515lb-ft 7000lb-ft 10
Para el caso de cargas en operación también es importante verificar los desplazamientos. En la Tabla 6 se observa que los desplazamientos son relativamente bajos (<1pulg)
Tabla 6. Desplazamientos máximos en Operación
Ubicación Magnitud del desplazamiento Nodo
Maximum X-displacement -10.3100 mm 71Maximum Y- displacement 18.4218 mm 89Maximum Z- displacement 18.1209 mm 239Maximum resultant displ 21.2945 mm 239
Maximum X-rotation 0.4254 deg 91Maximum Y- rotation -0.4858 deg 250Maximum Z- rotation -0.2584 deg 49
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6.2. SISTEMA MODIFICADO.
Como se pudo ver en la sección anterior, el sistema debe ser ajustado debido a dos razones fundamentales:
1. Se sobrepasan los esfuerzos admisibles establecidos por ASME B31.3 para el caso de carga por Expansión Térmica (EXP) en la sección de tuberías entre los nodos 91-100.
2. Se sobrepasa el momento resultante máximo sobreel Intercambiador de calor E-6311 (nodo 10).
Antes de realizar cualquier modificación se debe leer el comportamiento del sistema(Revisión de momentos, fuerzas y desplazamientos en los nodos críticos) y determinar el origen de las fuerzas y momentos causantes de problemas. Una vez realizadas pruebas a las diferentes soluciones se propone modificar el sistema de la forma mostrada en la Figura 3. Se agrega un tramo de tubería en una dirección perpendicular a la dirección de la fuerza que genera problemas, en este caso se agrega un tramo de 1500mm en X.
Figura 3. Vista de la línea 6”- 4007 - A3 (Modificada)en Raflex
Los esfuerzos en el sistema modificado obtenidos para la condición de carga en sostenido (SUS) se presentan en la tabla 7. Todos los esfuerzos obtenidos en los diferentes sectores del sistema son menores al 30.0% del esfuerzo máximo admisible recomendado por la norma ASME B31.3. También se observa en la tabla 2 que las cargas sobre los soportes bajo esta condición continúan siendo conservadoras después de la modificación.
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Tabla 7. Esfuerzos máximos bajo cargas en Sostenido (Sist Modificado)
Nodo Esfuerzo Máximo (PSI)
Esfuerzo Permisible por ASME B31.3 (PSI) %
199 3197.6 10644.0 30.070 3075 10644.0 28.9
140 2770 10644 26.039 2746 10644.0 25.8
Tabla 8. Reacciones en soportes y Equipos en Sostenido (Sist Modificado)
Condición de Carga Magnitud de la Carga (lb) Nodo
Maximum X-force -6 lb 190Maximum Y-force -1727 lb 140Maximum Z-force 8 lb 190
Maximum resultant force 1727 lb 140Maximum X-moment 706 lb-ft 190Maximum Y-moment 25 lb-ft 190Maximum Z-moment 358 lb-ft 10
Maximum resultant moment 707 lb-ft 190
También se verifican los desplazamientos en esta condición (SUS), se observa en la tabla 9que también son pequeños, por lo que no generan problemas con tuberías y equipos cercanos.
Tabla 9. Desplazamientos máximos en Sostenido (Sist Modificado)
Ubicación Magnitud del desplazamiento Nodo
Maximum X-displacement 0.2003 mm 89Maximum Y- displacement -1.1152 mm 51Maximum Z- displacement 0.3176 mm 61Maximum resultant displ 1.1266 mm 59
Maximum X-rotation -0.0466 deg 61Maximum Y- rotation -0.0045 deg 41Maximum Z- rotation 0.0292 deg 41
En la figura 4 se observa como claramente han mejorado los esfuerzos por Expansión Térmica (EXP), en ningún caso se sobre pasa el 75% del esfuerzo admisible.
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Figura 4. Esfuerzos por expansión térmica (EXP) en la línea 6”- 4007 - A3 (Modificada)
El detalle de los resultados obtenidos bajo cargas por expansión (EXP) puede verse en la Tabla 10.
Tabla 10. Esfuerzos máximos bajo cargas por expansión (Sist Modificado)
Nodo Esfuerzo Máximo (PSI)
Esfuerzo Permisible por ASME B31.3 (PSI) %
41 15400 22661 68.0271 12190 22661 53.8100 11853 22661 52.3239 10941 22661 48.384 10848 22661 48.2
En la Tabla 11 se muestra un resumen de resultados cuando evaluamos el sistema considerando las cargas en operación (OPE), más específicamente se muestran las cargas sobre equipos y soportes. Se observa como también se han solucionado los problemas en la conexión a equipos con la modificación propuesta.
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Tabla 11. Reacciones en soportes y Equipos en Operación (Sist Modificado)
Condición de Carga Magnitud de la Carga Permisible Nodo
Maximum X-force 504 lb 190Maximum Y-force -2951 lb 140Maximum Z-force 2013 lb 300
Maximum resultant force 2951 lb 5000 lb 140Maximum X-moment -2989 lb-ft 10Maximum Y-moment -5578 lb-ft 10Maximum Z-moment 1284 lb-ft 10
Maximum resultant moment 6458 lb-ft 7000 lb-ft 10
Para el caso de cargas en operación también es importante verificar los desplazamientos. En la Tabla 12 se observa que los desplazamientos son relativamente bajos (<1pulg) con la modificación al sistema.
Tabla 12. Desplazamientos máximos en Operación (Sist Modificado)
Ubicación Magnitud del desplazamiento Nodo
Maximum X-displacement 15.8335 mm 70Maximum Y- displacement 16.6472 mm 89Maximum Z- displacement -16.8537 59Maximum resultant displ 22.9057 mm 51
Maximum X-rotation -0.1278 deg 70Maximum Y- rotation -0.4230 deg 49Maximum Z- rotation 0.3567 deg 84
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7. CONCLUSIONES.
La configuración original de la línea 6”- 4007 - A3 produce cargas sobre las boquillas del intercambiador de calor E-6311 por encima de las admisibles en operación.
La configuración original de la línea 6”- 4007 - A3 produce esfuerzos por encima de los admisibles considerando el efecto de la expansión térmica.
La línea 6”- 4007 - A3 debe ser modificada aumentado 1500 mm en la dirección X (Ver figura 3)
El nuevo arreglo propuesto para la línea 6”- 4007 - A3 produce que los esfuerzos estén por debajo de los admisibles.
El nuevo arreglo propuesto para la línea 6”- 4007 - A3 produce cargas sobre las boquillas del intercambiador de calor E-6311 estén por debajo de las admisibles en operación.
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ANEXO 1RESULTADOS SISTEMA ORIGINAL
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ANEXO 2RESULTADOS SISTEMA MODIFICADO