Guia Rapida de Diseño de Recipientes a Presion INTRODUCCION El desarrollo del trabajo se basa en temas de interés para el estudio de la resistencia de materiales, tomando con base los esfuerzos y las deformaciones para su análisis, estos son básicos para el entendimiento de los temas a tratar. A continuación se hace un análisis de los recipientes a presión de pared delgada (recipientes cilíndricos y esféricos) los cuales representan una importante aplicación en el análisis de esfuerzo principalmente en el análisis de esfuerzo plano. A La transformación de esfuerzo la cual representa la relación de esfuerzos sobre diferentes planos que pasan por un punto. Y el método de superposición de esfuerzos que sirve para determinar por separado cada una de las fuerzas que son aplicadas sobre el miembro en análisis, para posteriormente combinar sus resultados y obtener la solución del problema. También se hablara de las presiones de trabajo de los recipientes a presión así como también sus diferentes requisitos para operar
Guia de Diseño de Recipientes a Presion, metodo de espesores, y escogitacion del material
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Guia Rapida de Diseño de Recipientes a Presion
INTRODUCCION
El desarrollo del trabajo se basa en temas de interés para el estudio de
la resistencia de materiales, tomando con base los esfuerzos y las
deformaciones para su análisis, estos son básicos para el entendimiento
de los temas a tratar.
A continuación se hace un análisis de los recipientes a presión de pared
delgada (recipientes cilíndricos y esféricos) los cuales representan una
importante aplicación en el análisis de esfuerzo principalmente en el
análisis de esfuerzo plano. A La transformación de esfuerzo la cual
representa la relación de esfuerzos sobre diferentes planos que pasan
por un punto. Y el método de superposición de esfuerzos que sirve para
determinar por separado cada una de las fuerzas que son aplicadas
sobre el miembro en análisis, para posteriormente combinar sus
resultados y obtener la solución del problema.
También se hablara de las presiones de trabajo de los recipientes a
presión así como también sus diferentes requisitos para operar
Se definirán conceptos como presión de operación, presión de diseño,
presión de trabajo y máxima presión
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
En la actualidad la fabricación de recipientes a presión se ha vuelto muy
complejo debido a la variedad de materiales, por lo que con la utilización
de métodos adecuados se hace más fácil, ya que provee técnicas y
formas adecuadas para la clasificación y selección del material según su
aplicación contribuyendo con esto a que los recipientes sean más
seguros, más eficientes y prolonguen su vida útil.
DELIMITACIÓN DEL TEMA.
Por lo extenso del campo de fabricación de recipientes a presión y sus
usos en la industria, el equipo investigador se enfocara en la
clasificación de materiales y diseño de recipientes a presión horizontales
hemisféricos para almacenamiento de gas licuado de petróleo (G L P)
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Investigar la teoría de Esfuerzos que actúan en las superficies de los
recipientes de pared delgada, y como estos se aplican a problemas
reales de diseño.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Conocer el procedimiento general para la escogitacion del material
(Acero), que sea apto para cada aplicación.
Calcular los espesores, y dimensiones para el diseño geométrico de los
recipientes a presión de acuerdo a las necesidades de espacio y
volumen.
HIPÓTESIS.
Hipótesis #1.
Si se realiza el procedimiento de clasificación de materiales adecuados,
entonces se tendrá recipientes con mayor seguridad.
Hipótesis #2.
Es posible no calcular los esfuerzos en un recipiente a presión para no
obtener fallas de funcionamiento
Indicadores
Hipo #1 Hipo #2 Hipo #1 Hipo
#2
V.I. V.I V.D. V.DClasificacion de materiales No calcular esfuerzos mayor seguridad fallas de funcionamiento adecuados
MARCO TEORICO
Los recipientes a presión son estructuras cerradas que contienen
líquidos o gases a presión, ejemplo de ello son los tanques esféricos
para almacenamiento de gas licuado de petróleo (GLP), los tanques
cilíndricos para aire comprimido, tubos a presión y globos inflados, las
calderas de vapor, los tanques de almacenamiento de líquidos o gases a
presión, entre otros.
Se consideraran recipientes de pared delgada los contenedores de
forma cilíndrica o esférica en los que el espesor de la pared es pequeño
comparado con el radio y su longitud, y en tales casos se encuentran en
la clase general de estructuras conocidas como “cascarones”.
Los contenedores a presión generalmente tienen formas de esferas,
cilindros, conos, elipsoides, toricónicos, toriesféricos, o compuestos de
éstos. Cuando el espesor del contenedor es pequeño en comparación
con el radio medio mayor que diez (Rm/t>10), entonces se dice que el
contenedor está compuesto por membranas, y los esfuerzos asociados
resultantes de la presión se llaman esfuerzos membranales.
Una esfera es la forma ideal teórica para un recipiente que resiste una
presión interna. Para determinar los esfuerzos en un recipiente esférico,
cortemos a través de la esfera sobre un plano diametral vertical (figura
1.0a) y aislemos la mitad del cascarón y su contenido de fluido como un
solo cuerpo libre (figura 1.0b). En este cuerpo libre actúan los esfuerzos
de tensión s en la pared del recipiente y la presión del fluido p. Esta
presión actúa en sentido horizontal contra el área circular plana de fluido
que permanece dentro del hemisferio. Como la presión es uniforme, la
fuerza de presión resultante P (figura 1.0b) es
P = p(pr 2)
donde r es el diámetro interior de la esfera.
Observe que la presión p no es la presión absoluta dentro del recipiente,
sino que es la presión interna neta, o la presión manométrica. Ésta es la
presión interna mayor que la presión que actúa sobre el exterior del
recipiente.
Si las presiones interna y externa son iguales, no se desarrollan
esfuerzos en la pared del recipiente; sólo el exceso de presión interna
con respecto a la presión externa tiene algún efecto sobre estos
esfuerzos.
FIGURA 1.0
ESFUERZOS EN LA SUPERFICIE INTERIOR
En la superficie interior de la pared de un recipiente esférico, un
elemento
de esfuerzo (figura 2.0 b) tiene los mismos esfuerzos de membrana σx y
σy que un elemento en las superficie exterior (figura 8.4a). Además, un
esfuerzo de compresión σz es igual a la presión p que actúa en la
dirección z
(figura 2.0 b). Este esfuerzo de compresión disminuye de p en la
superficie
interior de la esfera a cero en la superficie exterior.
El elemento que se muestra en la figura 2-0 a está en estado triaxial con
esfuerzos principales
σ1 = σ2 = Pr/2t σ3 = - p
Figura 2.0 a
CALCULO
Ejemplo.
Calcular el tipo de Acero, y espesores para un tanque con capacidad
para 5000 GAL. Con un diámetro de 84” y un largo total de 242”; se
planea hacer un radiografiado aleatorio.
Para almacenar Gas Licuado de Petróleo (GLP)
PROPANO
BUTANO
FÓRMULA QUÍMICA
C3H8
C4H10
PUNTO DE EBULLICIÓN °F /
°C
-15 / -13
32 / 0
GRAVEDAD ESPECÍFICA DEL GAS (DEL AIRE = 1.00)
1.53
2
GRAVEDAD ESPECÍFICA DEL LÍQUIDO (DEL AGUA = 1.00)
0.51
0.58
DENSIDAD (LBS/GALÓN DE LIQUIDO A 60°F)
4.24
4.81
BTU POR GALÓN DE GAS
91,690
102,032
PRESIÓN DE VAPOR - PSI
120 - 160
60 - 80
Para iniciar el proceso de selección del material debemos conocer las
propiedades de las sustancias que se almacenaran, en este caso las
características y propiedades de los GLP’s que están compuestos
básicamente por Propano Y Butano son las siguientes.
Los valores relevantes para el diseño de nuestro tanque son la
temperatura que oscila entre -42.1 °F en fase liquida y hasta 100° F en
fase vapor, otra característica a tomar en cuenta es la presión de vapor
que oscila entre 60-160 PSI.
La selección de los aceros con resistencia a los cambios de
temperatura, sean estos por los efectos mismos de la sustancia que
almacenan, como es el caso del GLP, y de los cambios atmosféricos, han
cerrado la brecha a 6 tipos de acero los cuales tienen un rango de
trabajo que va desde los -20°F hasta los 650°F.
Y son los siguientes:
ACEROS PARA RECIPIENTES A PRESION
Especificación Descripción y uso finalASTM/ASME SA 285 C Recipientes estacionarios de resistencia baja e intermedia.ASTM/ASME SA455 Recipientes estacionarios de alta resistencia.ASTM/ASME SA516 60
y70Recipientes de media resistencia para servicio de media y baja temperatura.
NMX B-475 Recipientes a presión (esferas).ASTM/ASME SA612
Recipientes para carros tanque de Ferrocarril.AAR TC-128-B
ACERO GRADO SA-612 GRADO SA-612ESFUERZO PERM. Psi 23,146.0 MPa 160RADIOGRAFIADO TIPO SI TIPO SIEFICIENCIA DE JUNTA % 0.85 % 1.00ESPESOR.CALCULADO PULG. 0.265 mm 6.744ESPESOR REAL PULG. 0.313 mm 7.938PESO TEORICO kg 446.93 kg 446.93
VOLUMEN INTERIOR L 2,486.43 L 2,486.43
TANQUE PESO TEORICO kg 3,922.40 kg 3,922.40
COMPLETO VOLUMEN INTERIOR L 18,939.59 L 18,939.59
LARGO TOTAL PULG. 242.00 cm 614.68
GLOSARIO
Esfuerzo axial: Esfuerzo que es perpendicular al plano sobre el que se
aplica la fuerza de tracción o compresión, que es distribuido de manera
uniforme por toda su superficie. También llamado esfuerzo normal.
Esfuerzo cortante: Fuerza interna que desarrolla un cuerpo como
respuesta a una fuerza cortante y que es tangencial a la superficie sobre
la que actúa. También llamado fuerza de cizallamiento.
Esfuerzo de compresión: Esfuerzo que resiste el acortamiento de una
fuerza de compresión externa.
Presión de operación: es la presión interna que se requiere en el
proceso del que forma parte el recipiente, a la cual trabaja normalmente
éste.
Presión de diseño: La presión que se emplea para diseñar el
recipiente. Se recomienda diseñar un recipiente y sus componentes para