Análisis de esfuerzos de las tuberías

Análisis térmico, análisis de la flexibilidad de las tuberías

El análisis de esfuerzos de las tuberías (análisis de flexibilidad térmica) predice los esfuerzos de las tuberías y las cargas que sufren los equipos producto de los gradientes de temperatura, los transitorios térmicos, el peso, la presión y la deformación por abulonamiento. Generalmente, es necesario realizar este estudio en tuberías que sufren grandes fluctuaciones de temperatura o en tramos largos de tuberías, como las tuberías calientes que van hacia los enfriadores o los cabezales. En los casos en que los equipos sean sensibles a las cargas externas también podría ser necesario realizar un análisis de esfuerzos de las tuberías.

La metodología de este estudio se vuelve más complicada en sistemas de tuberías donde también se analizan las vibraciones. Como se explica a continuación, el diseño debe abordar las exigencias contrapuestas entre el análisis de esfuerzos de las tuberías (donde se desea que haya flexibilidad) y el análisis de las vibraciones mecánicas (que precisa soportes rígidos). Hay métodos disponibles para abordar este conflicto y crear un diseño óptimo para las tuberías. 

En este enlace, se brinda un resumen de las exigencias dinámicas y estáticas para el diseño de tuberías:
​CONSIDERACIONES (ESTÁTICAS Y DINÁMICAS) PARA EL DISEÑO DE TUBERÍAS 

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1 Alcance

En este análisis, se calculan los esfuerzos de las tuberías causados por los ciclos térmicos, el peso de las tuberías y los accesorios y la presión estática de la tubería de proceso principal. Generalmente, se usa el programa CAESAR II para realizar un modelo del sistema, aunque a veces también se necesitan otros programas de computación especializados, como NozzlePRO y FETee.

• Se evalúa el esfuerzo ocasionado por los ciclos térmicos, el peso y las presiones estáticas de las tuberías, según lo establecido en todos los códigos de la industria, como B31.3, B31.8, CSA Z662, BS826, BS7159, FDBR, DNV, Stoomwezen y otros.
• Se calculan las cargas que sufren los equipos (p. ej., recipientes, enfriadores, bombas y compresores) y se los diseña para que cumplan con los estándares de la industria.
• Se brindan recomendaciones sobre el trazado de las tuberías, los soportes y el diseño de las abrazaderas.

2 Opciones

• ​​Evaluación de sistemas de tuberías sujetos a cargas medioambientales (viento/movimientos sísmicos).
• Diseño del sistema de tuberías para soportar las cargas producidas por la descarga de las válvulas de seguridad.
• Análisis detallado de las cargas sufridas por las boquillas de los recipientes para cumplir con los requisitos para recipientes a presión establecidos en el código ASME, sección VIII, p. 2.
• Diseño de las cargas de las boquillas de enfriamiento para cumplir con los estrictos requisitos detallados en API 661.
• Análisis de tuberías subterráneas o enterradas.
• Análisis de fatiga de tuberías de alta presión, según el código ASME B31.3, sección IX.

3 Cómo evitar conflictos entre el análisis de esfuerzos y el análisis de vibraciones de las tuberías

Cuando hay maquinaria presente en el sistema de tuberías, el mismo consultor que realiza el análisis mecánico-dinámico de elementos finitos también debería estar a cargo del análisis de esfuerzos de las tuberías. Así se evitan conflictos entre las hipótesis de rigidez y los requisitos para los soportes y también se facilita encontrar la solución. En general, en el análisis dinámico-mecánico se especifican soportes de rigidez alta, mientras que en el análisis de flexibilidad de las tuberías se precisan soportes flexibles. Es importante tener en cuenta al mismo tiempo tanto los requisitos estáticos como los dinámicos.

• ​Controlar las vibraciones y los esfuerzos por vibración generalmente implica sujetar las tuberías. También se precisa dejar menos espacio entre los soportes (entre las abrazaderas) para aumentar la frecuencia natural mecánica de la tubería y evitar la resonancia. En los estándares de control de las vibraciones, también se indica la necesidad de que los soportes sean suficientemente rígidos para detener las vibraciones en el soporte y se advierte contra el uso de soportes colgantes y guías.
• El análisis de esfuerzos de las tuberías reduce las deflexiones y esfuerzos estáticos y en general implica brindar flexibilidad de forma selectiva a una variedad de soportes de apoyo, guías, tapones de línea, soportes colgantes, soportes de resorte y sujetadores.
• Las recomendaciones del análisis de esfuerzos pueden ser directamente opuestas a los requisitos de diseño contra las vibraciones. Ese conflicto puede causar y, de hecho, causa confusiones y problemas significativos durante la construcción y la operación.

Para evitar eso, el enfoque estándar de la industria es que el mismo consultor realice el análisis de vibraciones y el análisis de esfuerzos de las tuberías. Así se garantiza un abordaje adecuado del control de las vibraciones y del diseño de las tuberías, lo cual incluye llegar a hipótesis realistas en cuanto a la rigidez de los soportes y el uso de abrazaderas y sujetadores que tengan flexibilidad suficiente para la expansión térmica (para más información, véanse los artículos que se detallan al final).

4 Ventajas de beta

• Nuestras recomendaciones prácticas se basan en casi 50 años de experiencia en el campo y experiencia de diseño. Contar con experiencia en maquinaria y en el campo nos brinda muchas ventajas concretas a la hora de evaluar el diseño de las tuberías.
• Nuestros analistas son expertos en los programas de análisis más modernos usados para evaluar los esfuerzos de las tuberías, entre ellos ANSYS, CAESAR II, NozzlePRO, FETee/FESIF y otros paquetes de programas pertinentes. Los programas de Wood brindan factores más precisos de intensificación del esfuerzo, gracias a lo cual se obtienen mejores resultados (recomendaciones menos conservadoras).
• El análisis de elementos finitos y el análisis en el campo garantizan cndiciones límite precisas para la simulación por computadora; las hipótesis precisas en cuanto a la rigidez de los soportes de las tuberías resultan particularmente valiosas.
• Nuestros diseños patentados de sujetadores para tuberías se adaptan a las cargas vibratorias y a la expansión térmica.
• Nuestro enfoque probado para abordar los diseños dinámicos y estáticos evitan las recomendaciones y enfoques contradictorios entre los requisitos térmicos y dinámico-vibratorios.
• Ofrecemos servicios de análisis integrales que abarcan las vibraciones inducidas por el flujo, las vibraciones inducidas acústicamente, las directrices del Energy Institute, los transitorios, el golpe de ariete, etc.
• Ofrecemos un servicio de asistencia oportuna a nivel mundial con oficinas en muchas regiones.
• Nuestros vastos recursos de ingeniería son compatibles con proyectos de cualquier tamaño.
• Nuestros precios son competitivos.

5 Beneficios para los clientes

• Los diseños del sistema garantizan la operación segura.
• Extensión de la vida útil de los equipos y reducción al mínimo de los costos de mantenimiento mediante el equilibrio entre los requisitos térmicos y dinámicos de los soportes.
• Reducción al mínimo del trazado de las tuberías y revisión de soportes cuando Wood lleva a cabo el análisis de flexibilidad y los estudios mecánicos API 618 DA2 y DA3.

6 Información relacionada

• ENFOQUE RECOMENDADO PARA ESTUDIOS DE FLEXIBILIDAD DE TUBERÍAS PARA EVITAR RIESGOS A LA INTEGRIDAD DE SISTEMAS CON COMPRESORES, GMRC, 2011 (PDF, EN INGLÉS) 
• ANÁLISIS TÉRMICO MEJORADO DE TUBERÍAS PARA SISTEMAS CON COMPRESORES DE PISTÓN (PDF, ARTÍCULO EN INGLÉS DE GMC 2012) 
• RIGIDEZ DE LOS SOPORTES DE TUBERÍAS, RESUMEN DE INVESTIGACIÓN PARA GMRC, 2014
• CURSO DE CAPACITACIÓN DE Wood SOBRE SISTEMAS DE TUBERÍAS: TÉCNICAS PARA MITIGAR LAS VIBRACIONES (PDF, EN INGLÉS)

7 Servicios relacionados

• EVALUACIÓN DE LAS VIBRACIONES Y DE LA INTEGRIDAD DE LAS TUBERÍAS
• RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS (PROBLEMAS DE PULSACIONES Y VIBRACIONES DE MAQUINARIA)
• SISTEMAS DE TUBERÍAS (INFORMACIÓN GENERAL SOBRE ANÁLISIS ESTÁTICO Y DINÁMICO DE TUBERÍAS)

8 Palabras clave

• Flexibilidad térmica
• Flexibilidad de las tuberías
• B31.3
• Estudio API M11

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