Al diseñar un sistema de tuberías a presión, el ingeniero designado a menudo especificará que las tuberías del sistema deben cumplir con una o más partes del Código de tuberías a presión ASME B31. ¿Cómo siguen correctamente los ingenieros los requisitos del código al diseñar sistemas de tuberías?
En primer lugar, el ingeniero debe determinar qué especificación de diseño se debe seleccionar. Para los sistemas de tuberías a presión, esto no se limita necesariamente a ASME B31. Otros códigos emitidos por ASME, ANSI, NFPA u otras organizaciones gubernamentales pueden regirse por la ubicación del proyecto, la aplicación, etc. En ASME B31, actualmente hay siete secciones separadas en vigor.
ASME B31.1 Tubería eléctrica: Esta sección cubre la tubería en centrales eléctricas, plantas industriales e institucionales, sistemas de calefacción geotérmicos y sistemas de calefacción y refrigeración centralizados y de distrito. Esto incluye tuberías exteriores y no exteriores de calderas utilizadas para instalar calderas de la Sección I de ASME. ASME B31.1 se remonta a la década de 1920, con la primera edición oficial publicada en 1935. Tenga en cuenta que la primera edición, incluidos los apéndices, tenía menos de 30 páginas y la edición actual tiene más de 300 páginas.
ASME B31.3 Tuberías de proceso: Esta sección cubre las tuberías en las refinerías;plantas químicas, farmacéuticas, textiles, papeleras, semiconductoras y criogénicas;y plantas de procesamiento y terminales asociadas. Esta sección es muy similar a ASME B31.1, especialmente cuando se calcula el espesor de pared mínimo para tubería recta. Esta sección fue originalmente parte de B31.1 y se publicó por primera vez por separado en 1959.
ASME B31.4 Sistemas de transporte por tuberías para líquidos y lodos: esta sección cubre las tuberías que transportan principalmente productos líquidos entre plantas y terminales, y dentro de terminales, estaciones de bombeo, acondicionamiento y medición. Esta sección fue originalmente parte de B31.1 y se publicó por primera vez por separado en 1959.
ASME B31.5 Tuberías de refrigeración y componentes de transferencia de calor: esta sección cubre las tuberías para refrigerantes y refrigerantes secundarios. Esta parte originalmente formaba parte de B31.1 y se lanzó por primera vez por separado en 1962.
ASME B31.8 Sistemas de tuberías de transmisión y distribución de gas: Esto incluye tuberías para transportar principalmente productos gaseosos entre fuentes y terminales, incluidos compresores, estaciones de acondicionamiento y medición;y tuberías de recolección de gas. Esta sección fue originalmente parte de B31.1 y se lanzó por primera vez por separado en 1955.
ASME B31.9 Tuberías de servicios de construcción: esta sección cubre las tuberías que se encuentran comúnmente en edificios industriales, institucionales, comerciales y públicos;y viviendas de unidades múltiples que no requieren los rangos de tamaño, presión y temperatura cubiertos en ASME B31.1. Esta sección es similar a ASME B31.1 y B31.3, pero es menos conservadora (especialmente cuando se calcula el espesor mínimo de pared) y contiene menos detalles. Está limitada a aplicaciones de baja presión y baja temperatura como se indica en ASME B31.9 párrafo 900.1.2. Esto se publicó por primera vez en 1982.
ASME B31.12 Tuberías y tuberías de hidrógeno: esta sección cubre las tuberías en el servicio de hidrógeno gaseoso y líquido, y las tuberías en el servicio de hidrógeno gaseoso. Esta sección se publicó por primera vez en 2008.
El código de diseño que se debe usar depende en última instancia del propietario. La introducción a ASME B31 establece: "Es responsabilidad del propietario seleccionar la sección del código que más se aproxime a la instalación de tubería propuesta".En algunos casos, "se pueden aplicar múltiples secciones de código a diferentes secciones de la instalación".
La edición de 2012 de ASME B31.1 servirá como referencia principal para discusiones posteriores. El propósito de este artículo es guiar al ingeniero designador a través de algunos de los pasos principales para diseñar un sistema de tuberías a presión que cumpla con ASME B31. Seguir las pautas de ASME B31.1 brinda una buena representación del diseño general del sistema. Se usan métodos de diseño similares si se siguen ASME B31.3 o B31.9. para sistemas o aplicaciones específicos, y no se discutirán más. Si bien aquí se resaltarán los pasos clave en el proceso de diseño, esta discusión no es exhaustiva y siempre se debe hacer referencia al código completo durante el diseño del sistema. Todas las referencias al texto se refieren a ASME B31.1 a menos que se indique lo contrario.
Después de seleccionar el código correcto, el diseñador del sistema también debe revisar los requisitos de diseño específicos del sistema. El párrafo 122 (Parte 6) proporciona los requisitos de diseño relacionados con los sistemas que se encuentran comúnmente en aplicaciones de tuberías eléctricas, como vapor, agua de alimentación, purga y purga, tuberías de instrumentación y sistemas de alivio de presión. ASME B31.3 contiene párrafos similares a ASME B31.1, pero con menos detalles. el cuerpo de la caldera, la tubería externa de la caldera y la tubería externa que no es de la caldera conectada a la tubería de la caldera ASME Sección I.definición. La figura 2 muestra estas limitaciones de la caldera de tambor.
El diseñador del sistema debe determinar la presión y la temperatura a las que funcionará el sistema y las condiciones para las que debe diseñarse el sistema.
De acuerdo con el párrafo 101.2, la presión interna de diseño no debe ser inferior a la presión de trabajo continua máxima (MSOP) dentro del sistema de tuberías, incluido el efecto de la carga estática. Las tuberías sujetas a presión externa deben diseñarse para la presión diferencial máxima esperada en condiciones de operación, parada o prueba. Además, es necesario considerar los impactos ambientales. para romper el vacío. En situaciones en las que la expansión del fluido pueda aumentar la presión, los sistemas de tuberías deben diseñarse para soportar el aumento de presión o deben tomarse medidas para aliviar el exceso de presión.
A partir de la Sección 101.3.2, la temperatura del metal para el diseño de la tubería debe ser representativa de las condiciones máximas sostenidas esperadas. Para simplificar, generalmente se supone que la temperatura del metal es igual a la temperatura del fluido. Si se desea, se puede usar la temperatura promedio del metal siempre que se conozca la temperatura de la pared exterior. También se debe prestar especial atención a los fluidos extraídos a través de intercambiadores de calor o del equipo de combustión para garantizar que se tengan en cuenta las peores condiciones de temperatura.
A menudo, los diseñadores agregan un margen de seguridad a la presión y/o temperatura máximas de trabajo. El tamaño del margen depende de la aplicación. También es importante tener en cuenta las restricciones del material al determinar la temperatura de diseño. Especificar temperaturas de diseño altas (superiores a 750 F) puede requerir el uso de materiales de aleación en lugar del acero al carbono más estándar. Los valores de tensión en el Apéndice A obligatorio se proporcionan solo para las temperaturas permitidas para cada material. a temperaturas superiores a 800 F puede hacer que la tubería se carbonice, haciéndola más quebradiza y propensa a fallas. Si se opera a más de 800 F, también se debe considerar el daño por fluencia acelerada asociado con el acero al carbono. Consulte el párrafo 124 para obtener una discusión completa de los límites de temperatura del material.
A veces, los ingenieros también pueden especificar presiones de prueba para cada sistema. El párrafo 137 brinda orientación sobre las pruebas de esfuerzo. Por lo general, las pruebas hidrostáticas se especificarán a 1,5 veces la presión de diseño;sin embargo, las tensiones circunferenciales y longitudinales en la tubería no deben exceder el 90% del límite elástico del material en el párrafo 102.3.3 (B) durante la prueba de presión. Para algunos sistemas de tuberías externas que no son de calderas, la prueba de fugas en servicio puede ser un método más práctico para detectar fugas debido a las dificultades para aislar partes del sistema, o simplemente porque la configuración del sistema permite una prueba de fugas simple durante el servicio inicial.De acuerdo, esto es aceptable.
Una vez que se establecen las condiciones de diseño, se puede especificar la tubería. Lo primero que debe decidir es qué material usar. Como se mencionó anteriormente, los diferentes materiales tienen diferentes límites de temperatura. El párrafo 105 proporciona restricciones adicionales sobre varios materiales de tubería. un fenómeno de erosión/corrosión que se ha demostrado que causa adelgazamiento severo de las paredes y fallas en las tuberías en algunos de los sistemas de tuberías más críticos. La falta de consideración adecuada del adelgazamiento de los componentes de las tuberías puede y ha tenido graves consecuencias, como en 2007 cuando estalló una tubería de sobrecalentamiento en la central eléctrica IATAN de KCP&L, matando a dos trabajadores e hiriendo gravemente a un tercero.
La Ecuación 7 y la Ecuación 9 en el párrafo 104.1.1 definen el espesor de pared mínimo requerido y la presión de diseño interna máxima, respectivamente, para tubería recta sujeta a presión interna. Las variables en estas ecuaciones incluyen la tensión máxima permisible (del Apéndice Obligatorio A), el diámetro exterior de la tubería, el factor de material (como se muestra en la Tabla 104.1.2 (A)) y cualquier tolerancia de espesor adicional (como se describe a continuación). ser un proceso iterativo que también puede incluir la velocidad del fluido, la caída de presión y los costos de tubería y bombeo. Independientemente de la aplicación, se debe verificar el espesor de pared mínimo requerido.
Se pueden agregar tolerancias de espesor adicionales para compensar por diversas razones, incluida la FAC. Es posible que se requieran tolerancias debido a la eliminación de roscas, ranuras, etc., material necesario para hacer uniones mecánicas. De acuerdo con el párrafo 102.4.2, la tolerancia mínima debe ser igual a la profundidad de la rosca más la tolerancia de mecanizado. También se pueden agregar tolerancias para tener en cuenta las uniones soldadas (párrafo 102.4.3) y los codos (párrafo 102.4.5). Finalmente, se pueden agregar tolerancias para compensar la corrosión y/o la erosión. El espesor de esta tolerancia queda a discreción del diseñador y debe ser consistente con la vida útil esperada de la tubería de acuerdo con el párrafo 102.4.1.
El Anexo IV opcional brinda orientación sobre el control de la corrosión. Los revestimientos protectores, la protección catódica y el aislamiento eléctrico (como bridas aislantes) son métodos para prevenir la corrosión externa de tuberías enterradas o sumergidas. Se pueden usar inhibidores de corrosión o revestimientos para prevenir la corrosión interna. También se debe tener cuidado de usar agua de prueba hidrostática de la pureza adecuada y, si es necesario, drenar completamente la tubería después de la prueba hidrostática.
El espesor mínimo de la pared de la tubería o el programa requerido para los cálculos previos pueden no ser constantes a lo largo del diámetro de la tubería y pueden requerir especificaciones para diferentes programas para diferentes diámetros. Los valores apropiados del programa y el espesor de la pared se definen en ASME B36.10 Tubo de acero forjado soldado y sin costura.
Al especificar el material de la tubería y realizar los cálculos discutidos anteriormente, es importante asegurarse de que los valores de tensión máxima permisible utilizados en los cálculos coincidan con el material especificado. Por ejemplo, si la tubería de acero inoxidable A312 304L se designa incorrectamente como tubería de acero inoxidable A312 304, el espesor de pared provisto puede ser insuficiente debido a la diferencia significativa en los valores de tensión máxima permisible entre los dos materiales. Asimismo, el método de fabricación de la tubería debe especificarse adecuadamente. Si se utiliza una tubería sin soldadura para el cálculo, se debe especificar una tubería sin costura. De lo contrario, el fabricante/instalador puede ofrecer una tubería con costura soldada, lo que puede resultar en un espesor de pared insuficiente debido a los valores de tensión máxima permisibles más bajos.
Por ejemplo, suponga que la temperatura de diseño de la tubería es de 300 F y la presión de diseño es de 1,200 psig. 2″ y 3″. Se usará alambre de acero al carbono (A53 Grado B sin costura). Determine el plan de tubería adecuado para cumplir con los requisitos de ASME B31.1 Ecuación 9. Primero, se explican las condiciones de diseño:
A continuación, determine los valores de tensión máxima permisibles para A53 Grado B a las temperaturas de diseño anteriores de la Tabla A-1. Tenga en cuenta que se utiliza el valor para tubería sin costura porque se especifica la tubería sin costura:
También se debe agregar una tolerancia de espesor. Para esta aplicación, se supone una tolerancia de corrosión de 1/16 de pulgada. Más adelante se agregará una tolerancia de fresado por separado.
3 pulgadas. La tubería se especificará primero. Suponiendo una tubería Schedule 40 y una tolerancia de fresado del 12,5 %, calcule la presión máxima:
La tubería Schedule 40 es satisfactoria para un tubo de 3 pulgadas en las condiciones de diseño especificadas anteriormente. Luego, verifique 2 pulgadas. La tubería usa las mismas suposiciones:
2 pulgadas. Bajo las condiciones de diseño especificadas anteriormente, la tubería requerirá un espesor de pared más grueso que el Cédula 40. Pruebe con 2 pulgadas. Tuberías Cédula 80:
Si bien el grosor de la pared de la tubería suele ser el factor limitante en el diseño de presión, sigue siendo importante verificar que los accesorios, componentes y conexiones utilizados sean adecuados para las condiciones de diseño especificadas.
Como regla general, de acuerdo con los párrafos 104.2, 104.7.1, 106 y 107, todas las válvulas, accesorios y otros componentes que contienen presión fabricados de acuerdo con los estándares enumerados en la Tabla 126.1 se considerarán aptos para su uso en condiciones normales de funcionamiento o por debajo de los valores nominales de presión y temperatura especificados en ASME B31.1. se aplicarán los límites más estrictos.
En las intersecciones de tuberías, se recomiendan conexiones en T, transversales, cruces, uniones soldadas en derivación, etc., fabricadas según los estándares enumerados en la Tabla 126.1. En algunos casos, las intersecciones de tuberías pueden requerir conexiones de derivación únicas. El párrafo 104.3.1 proporciona requisitos adicionales para las conexiones de derivación para garantizar que haya suficiente material de tubería para soportar la presión.
Para simplificar el diseño, el diseñador puede optar por establecer las condiciones de diseño más altas para cumplir con la clasificación de la brida de una cierta clase de presión (p. ej., ASME clase 150, 300, etc.) según lo define la clase de temperatura de presión para materiales específicos especificados en ASME B16.5 Bridas de tubería y uniones de brida, o normas similares enumeradas en la Tabla 126.1. Esto es aceptable siempre que no dé como resultado un aumento innecesario en el espesor de la pared u otros diseños de componentes.
Una parte importante del diseño de tuberías es garantizar que la integridad estructural del sistema de tuberías se mantenga una vez que se aplican los efectos de la presión, la temperatura y las fuerzas externas. La integridad estructural del sistema a menudo se pasa por alto en el proceso de diseño y, si no se hace bien, puede ser una de las partes más costosas del diseño. La integridad estructural se analiza principalmente en dos lugares, el Párrafo 104.8: Análisis de los componentes de la tubería y el Párrafo 119: Expansión y flexibilidad.
El párrafo 104.8 enumera las fórmulas básicas del código que se usan para determinar si un sistema de tuberías excede los esfuerzos admisibles del código. Estas ecuaciones del código se conocen comúnmente como cargas continuas, cargas ocasionales y cargas de desplazamiento. La carga sostenida es el efecto de la presión y el peso en un sistema de tuberías. al mismo tiempo, por lo que cada carga incidental será un caso de carga separado en el momento del análisis. Las cargas de desplazamiento son los efectos del crecimiento térmico, el desplazamiento del equipo durante la operación o cualquier otra carga de desplazamiento.
El párrafo 119 analiza cómo manejar la expansión y la flexibilidad de las tuberías en los sistemas de tuberías y cómo determinar las cargas de reacción. La flexibilidad de los sistemas de tuberías suele ser más importante en las conexiones de equipos, ya que la mayoría de las conexiones de equipos solo pueden soportar la cantidad mínima de fuerza y ​​momento aplicados en el punto de conexión. En la mayoría de los casos, el crecimiento térmico del sistema de tuberías tiene el mayor efecto sobre la carga de reacción, por lo que es importante controlar el crecimiento térmico en el sistema en consecuencia.
Para acomodar la flexibilidad del sistema de tuberías y asegurar que el sistema tenga el soporte adecuado, es una buena práctica sostener las tuberías de acero de acuerdo con la Tabla 121.5. Si un diseñador se esfuerza por cumplir con el espacio de soporte estándar para esta tabla, logra tres cosas: minimiza la deflexión del peso propio, reduce las cargas sostenidas y aumenta la tensión disponible para las cargas de desplazamiento. .entre los soportes de los tubos. Minimizar la deflexión por peso propio ayuda a reducir la posibilidad de condensación en las tuberías que transportan vapor o gas. Seguir las recomendaciones de espaciado en la Tabla 121.5 también permite al diseñador reducir la tensión sostenida en la tubería a aproximadamente el 50 % del valor continuo permisible del código. De acuerdo con la Ecuación 1B, la tensión permisible para las cargas de desplazamiento está inversamente relacionada con las cargas sostenidas. .El espacio recomendado para los soportes de las tuberías se muestra en la Figura 3.
Para ayudar a garantizar que las cargas de reacción del sistema de tuberías se consideren correctamente y que se cumplan las tensiones del código, un método común es realizar un análisis de tensión de tubería asistido por computadora del sistema. Hay varios paquetes de software de análisis de tensión de tubería diferentes disponibles, como Bentley AutoPIPE, Intergraph Caesar II, Piping Solutions Tri-Flex, o uno de los otros paquetes disponibles comercialmente. cambios en la configuración. La Figura 4 muestra un ejemplo de modelado y análisis de una sección de tubería.
Cuando se diseña un sistema nuevo, los diseñadores de sistemas suelen especificar que todas las tuberías y los componentes deben fabricarse, soldarse, ensamblarse, etc., según lo exija el código que se utilice. Sin embargo, en algunas modificaciones u otras aplicaciones, puede ser beneficioso que un ingeniero designado brinde orientación sobre ciertas técnicas de fabricación, como se describe en el Capítulo V.
Un problema común que se encuentra en las aplicaciones de reacondicionamiento es el precalentamiento de la soldadura (párrafo 131) y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (párrafo 132). Entre otros beneficios, estos tratamientos térmicos se utilizan para aliviar el estrés, evitar el agrietamiento y aumentar la resistencia de la soldadura. Para el precalentamiento, el párrafo 131 proporciona la temperatura mínima a la que se debe calentar el metal base antes de que se pueda realizar la soldadura. Para PWHT, la Tabla 132 proporciona el rango de temperatura de mantenimiento y el tiempo para mantener la zona de soldadura. Las tasas de calentamiento y enfriamiento, los métodos de medición de temperatura, las técnicas de calentamiento y otros procedimientos deben seguir estrictamente las pautas establecidas en el código. Pueden ocurrir efectos adversos inesperados en el área soldada debido a la falla en el tratamiento térmico adecuado.
Otra área potencial de preocupación en los sistemas de tuberías presurizadas son las curvas de las tuberías. Doblar las tuberías puede causar adelgazamiento de la pared, lo que resulta en un espesor de pared insuficiente. De acuerdo con el párrafo 102.4.5, el código permite las curvas siempre que el espesor mínimo de la pared satisfaga la misma fórmula utilizada para calcular el espesor mínimo de la pared para una tubería recta. tratamiento térmico de predoblado y/o postdoblado. El párrafo 129 brinda orientación sobre la fabricación de codos.
Para muchos sistemas de tuberías de presión, es necesario instalar una válvula de seguridad o una válvula de alivio para evitar la sobrepresión en el sistema. Para estas aplicaciones, el Apéndice II opcional: Reglas de diseño de instalación de válvulas de seguridad es un recurso muy valioso pero a veces poco conocido.
De acuerdo con el párrafo II-1.2, las válvulas de seguridad se caracterizan por una acción emergente totalmente abierta para servicio de gas o vapor, mientras que las válvulas de seguridad se abren en relación con la presión estática aguas arriba y se utilizan principalmente para servicio de líquido.
Las unidades de válvula de seguridad se caracterizan por ser sistemas de descarga abiertos o cerrados. En un escape abierto, el codo en la salida de la válvula de seguridad generalmente se escapará hacia el tubo de escape a la atmósfera. Por lo general, esto resultará en una menor contrapresión. compresión en la línea de venteo, causando potencialmente la propagación de ondas de presión. En el párrafo II-2.2.2, se recomienda que la presión de diseño de la línea de descarga cerrada sea al menos dos veces mayor que la presión de trabajo en estado estable. Las Figuras 5 y 6 muestran la instalación de la válvula de seguridad abierta y cerrada, respectivamente.
Las instalaciones de válvulas de seguridad pueden estar sujetas a varias fuerzas, como se resume en el párrafo II-2. Estas fuerzas incluyen los efectos de expansión térmica, la interacción de múltiples válvulas de alivio que ventilan simultáneamente, los efectos sísmicos y/o de vibración y los efectos de presión durante los eventos de alivio de presión. Aunque la presión de diseño hasta la salida de la válvula de seguridad debe coincidir con la presión de diseño de la tubería descendente, la presión de diseño en el sistema de descarga depende de la configuración del sistema de descarga y las características de la válvula de seguridad. En el párrafo II-2.2 se proporcionan ecuaciones para determinar la presión y la velocidad en el codo de descarga. , entrada de la tubería de descarga y salida de la tubería de descarga para sistemas de descarga abiertos y cerrados. Con esta información, se pueden calcular y contabilizar las fuerzas de reacción en varios puntos del sistema de escape.
En el párrafo II-7 se proporciona un problema de ejemplo para una aplicación de descarga abierta. Existen otros métodos para calcular las características de flujo en los sistemas de descarga de válvulas de alivio, y se advierte al lector que verifique que el método utilizado sea lo suficientemente conservador. GS Liao describe uno de estos métodos en “Power Plant Safety and Pressure Relief Valve Exhaust Group Analysis” publicado por ASME en el Journal of Electrical Engineering, octubre de 1975.
La válvula de alivio debe ubicarse a una distancia mínima de tubería recta alejada de cualquier curvatura. Esta distancia mínima depende del servicio y la geometría del sistema como se define en el párrafo II-5.2.1. Para instalaciones con múltiples válvulas de alivio, el espacio recomendado para las conexiones de derivación de válvula depende de los radios de la tubería de derivación y servicio, como se muestra en la Nota (10)(c) de la Tabla D-1. De acuerdo con el párrafo II-5.7.1, puede ser necesario conectar los soportes de tubería ubicados en las descargas de la válvula de alivio a la tubería estructuras adyacentes para minimizar los efectos de la expansión térmica y las interacciones sísmicas. En el párrafo II-5 se puede encontrar un resumen de estas y otras consideraciones de diseño en el diseño de conjuntos de válvulas de seguridad.
Obviamente, no es posible cubrir todos los requisitos de diseño de ASME B31 dentro del alcance de este artículo. Pero cualquier ingeniero designado que participe en el diseño de un sistema de tuberías a presión debe al menos estar familiarizado con este código de diseño. Con suerte, con la información anterior, los lectores encontrarán que ASME B31 es un recurso más valioso y accesible.
Monte K. Engelkemier es líder de proyecto en Stanley Consultants. Engelkemier es miembro de la Sociedad de Ingeniería de Iowa, NSPE y ASME, y es miembro del Comité y Subcomité del Código de Tuberías Eléctricas B31.1. Tiene más de 12 años de experiencia práctica en diseño, diseño, evaluación de esfuerzos y diseño de sistemas de tuberías. Matt Wilkey es Ingeniero Mecánico en Stanley Consultants. Tiene más de 6 años de experiencia profesional en el diseño de sistemas de tuberías para una y clientes industriales y es miembro de ASME y de la Sociedad de Ingeniería de Iowa.
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