Recipientes a presión

Recipientes a presión

Son estructuras cerradas o vasija cerrada con la capacidad

de almacenar un fluido a presión manométrica, ya sea

presión interna o vació, independientemente de su forma y

dimensiones.

Tipos de recipientes a presión

Los diferentes tipos de recipientes a presión que existen,

se clasifican de la siguiente manera:

Recipientes a presión por su uso:

De almacenamiento

De proceso

Recipientes a presión según su forma:

Cilíndricos, se dividen en horizontales y verticales.

Esféricos

1. Recipientes a presión por su uso

Por su uso los podemos dividir en recipientes de

almacenamiento y en recipientes de proceso. Los primeros

nos sirven únicamente para almacenar fluidos a presión, y

de acuerdo con su servicio son conocidos como tanques de

almacenamiento, tanques de día, tanques acumuladores,

etc .Los recipientes a presión de proceso tienen múltiples

y muy variados usos, entre ellos podemos citar los

cambiadores de calor, reactores, torres fraccionadoras,

torres de destilación, etc.

Por su uso se pueden dividir en:

Recipientes de Almacenamiento.

Sirven únicamente para almacenar fluidos a presión, y de

acuerdo con su servicio son conocidos como tanques de

almacenamiento, tanques de día, tanques acumuladores, etc.

Recipientes de Proceso.

Estos tienen múltiples y muy variados usos, entre ellos

podemos citar los cambiadores de calor, reactores, torres

fraccionadora, torres de destilación, etc.

2. Recipientes a presión según su forma

Por su forma, los recipientes a presión, pueden ser

cilíndricos o esféricos. Los primeros pueden ser

horizontales o verticales, y pueden tener, en algunos

casos, chaquetas para incrementar o decrecer la temperatura

de los fluidos según el caso. Los recipientes esféricos se

utilizan generalmente como tanques de almacenamiento, y se

recomiendan para almacenar grandes volúmenes a altas

presiones. Puesto que la forma esférica es la forma

“natural” que toman los cuerpos al ser sometidos a presión

interna, ésta sería la forma más económica para almacenar

fluidos a presión, sin embargo, la fabricación de este tipo

de recipientes e mucho más cara en comparación con los

recipientes cilíndricos.

Por su forma se pueden dividir en:

Recipientes Cilíndricos

Estos pueden ser horizontales o verticales, y pueden tener,

en algunos casos, chaquetas para incrementar o decrecer la

temperatura de los fluidos según el caso.

Recipientes Esféricos

Es aquel que por su forma constituye la manera ideal de un

recipiente para resistir presiones internas.

Materiales utilizados para la construcción de recipiente a

presión

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 o 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.

El código ASME indica la forma de suministro de los

materiales más utilizados, lo cual va implícitas en su

especificación.

CODIGO ASME

En esta parte del código se establecen los requerimientos

mínimos para el diseño, fabricación e inspección y para

obtener la certificación autorizada de la ASME para los

recipientes a presión.

En base a esto se ha dividido en:

1. Subsección A. Parte UG que cubre los requerimientos

generales.

2. Subsección B. Requerimientos de fabricación

Parte UW.- Para recipientes que serán fabricados por

soldadura.

Parte UF.- Para recipientes que serán fabricados por

forjado

Parte UB.- Para recipientes que serán fabricados

utilizando un material de relleno no ferroso a este

proceso se le denomina "brazing"

3. Subsección C. Requerimientos de materiales

Parte UCS.- Para recipientes construidos con acero al

carbón y de baja aleación.

Parte UNF.- Para los construidos con materiales no

ferrosos.

Parte UCI.- Para los construidos con fierro fundido.

Parte UCL.- Para los construidos con una placa "clad"

integral o con recubrimiento tipo "lining".

Parte UCD.- Para los construidos con fierro fundido

dúctil.

Parte UNT.- Para los construidos con aceros ferriticos

con propiedades de tensión mejoradas por tratamiento

térmico.

Parte ULW.- Para los fabricados por el método de

multicanas.

Parte ULT.- Para los construidos con materiales con

esfuerzos permisibles más altos a bajas temperaturas.

Selección de los materiales que pueden aplicarse a los

recipientes

Acero al Carbono: 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 alta aleación: 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 aleación: 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.

Propiedades de los materiales para satisfaces las

condiciones de servicio

Propiedades mecánicas: Al considerar las propiedades

mecánicas del material es deseable que tenga buena

resistencia a la tensión, alto nivel de cedencia, por

cierto de alargamiento alto y mínima reducción de área. Con

estas propiedades principales se establecen los esfuerzos

de diseño para el material en cuestión.

Propiedades físicas: En este tipo de propiedades se buscará

que el material deseado tenga coeficiente de dilatación

térmica.

Propiedades químicas: La principal propiedad química que

debemos considerar en el material que utilizaremos en la

fabricación de recipientes a presión es su resistencia a la

corrosión.

Presión de diseño (P)

Presión aplicada a dispositivos de control para verificar

su integridad estructural. A esta presión, no se permite

ninguna deformación ni pérdida excesiva y el elemento debe

funcionar normalmente luego de esta prueba. Generalmente,

el estándar de la industria es 1.5 veces la presión de

trabajo.

Esta presión se usa para calibrar los equipos, verificar la

integridad estructural del equipo.

Al determinar la presión de diseño (P), debe tomarse en

consideración la presión hidrostática debida a la columna

del fluido que estemos manejando, si éste es líquido sobre

todo en recipientes cilíndricos verticales.

Presión de prueba (Pp)

Se entenderá por presión hidrostática de prueba y se

cuantificará por mediode la siguiente ecuación:

Pp = P (1.5) Sta/Std

Dónde:

P =Presión de diseño.

Sta =Esfuerzo a la tensión del material a la temperatura

ambiente.

Std =Esfuerzo a la tensión del material a la temperatura de

diseño.

Elementos Constitutivos de Recipientes a Presión

Entrada(s) de producto.

Salida(s) de producto.

Drene.

Venteo.

Entrada(s) de hombre.

Conexión para válvula de seguridad.

Conexión para manómetro.

Conexión para termómetro (termopozo).

Conexiones para indicadores de nivel.

Conexiones para control de nivel.

Tanques de Almacenamiento.

Son usados para guardar líquidos o gases, debido a su

tamaño usualmente son diseñados para contener el líquido a

un presión ligeramente mayor que la atmosférica. Son

ampliamente utilizados en la industria, principalmente en

las refinerías por proceso de almacenamiento temporal de

los productos.

Tipos de tanques de almacenamiento

1. Tanques de almacenamiento Esféricos

Los Tanques de almacenamiento esferas son principalmente

usados para almacenamiento de productos encima de los 5

psig.

2. Tanques de almacenamiento Esferoidales

Un tanque esferoidal es esencialmente esférico excepto que

esto es un tanto aplanado. Tanques hemisféricos tienen un

armazón cilíndrico con techos curveados. Los tanques

esferoidales son generalmente usados en tamaños más grandes

y tienen ataduras internas para así soportar el esfuerzo de

flujo en el armazón. Esos tanques son generalmente usados

para almacenar productos también encima de los 5 psig.

3. Tanques de almacenamiento Cilíndricos Horizontales

La presión de trabajo puede ser desde 15 Psig a 1000 Psig o

mayor. Algunos de esos tanques tienen cabeza hemisférica.

4. Tanques de almacenamiento con Techo Fijo

Están permanentemente armados al armazón del tanque. Los

tanques soldados de 500bls de capacidad y más largos pueden

ser proporcionados con un FRANGIBLE ROOF (diseñado para el

cuidado de la liberación de la cubierta soldada de los

juntos del armazón en caso ocurra un exceso interno de la

presión), en este caso la presión de diseño no excederá la

presión equivalente del peso muerto del techo.

5. Tanques de almacenamiento con Techo Flotante

Este tipo de tanques es principalmente usado por almacenes

cercano a la presión atmosférica. Techos flotantes son

diseñados para mover verticalmente dentro del armazón del

tanque para proporcionar una mínima constante de vacío

entre la superficie del producto almacenado y el techo y

para proporcionar un sello constante entre la periferia del

tanque y el techo flotante. Estas pueden ser fabricadas en

un tipo que está expuesto al medio ambiente o un tipo que

está dentro de un techo fijo. Los tanques de techo flotante

interno con un techo fijo externo son usados en áreas de

pesadas nevadas desde que la acumulación de nieve o agua

afecta la operación de la flotabilidad.

Ambos tanques: techo fijo o flotante interno son usados

para reducir las pérdidas de vapor y conservar el fluido

almacenado

6. Tanques de almacenamiento Empernados

Son diseñados y acondicionados como elementos segmentados

los cuales son montados en localidades para poder

proporcionar un completo vertical, cilíndrico, encima del

terreno, cierre y apertura de la parte superior del acero

de los tanques. Los tanques empernados API estandarizados

están disponibles en capacidad nominal de 100 a 10000 bls,

diseñados a una presión atmosférica dentro de los tanques.

Estos tanques ofrecen la ventaja de ser fácilmente

transportados en cualquier localidad y levantados

manualmente.

7. Tanques de almacenamiento Especiales

Tuberías de almacenamiento. Tubería que es usada

especialmente para almacenamiento y tratamiento de

componentes de petróleo líquido o líquidos con anhídrido y

amoniaco para el cual deben ser diseñados y construidos con

lo acordado con algún adecuado código.

8. Tanques de almacenamiento de Caras Planas

Cuando el espacio es limitado, como en mar afuera, se

requiere de estos tanques de caras planas por que varias

celdas de este tipo pueden ser fácilmente construidas y

puestas en espacios reducidos que otros tipos de tanques.

Los tanques de caras planas o tanques rectangulares son

normalmente usados a presiones atmosféricas.

Diferencias entre Recipientes a Presión y Tanques de

Almacenamiento

1. Los recipientes a presión son estructuras cerradas,

los tanques de almacenamiento pueden ser cerradas o

abiertos.

2. Los recipientes a presión almacenan fluido compresible

(gases y vapores) y los tanques de almacenamiento

almacenan fluido incompresible.

3. Los recipientes a presión son usados para volúmenes

más pequeños que los tanques de almacenamiento

Demostración de la ecuación de recipientes a presión pared

gruesa.

Planteando el equilibrio

(σr+dσrdr )dr (r+dr )dθdz−σrrdθdz−2σsen(dθ2 )drdz=r

Aclaración:

Tensión y area:

A)

comodθ≪ (esmuypequeño ),entoncessen(dθ2 )=dθ2

¿

B) factor común

(σff+dσr

dr drr+drσr+drdσr

dr dr−σff−σθdr)dθz=0

dσr

drdrr+drσ

r+¿drdσf

dr drσθdr=0 ¿

c) despreciando las infinitésimos de segundo orden

dσr

drdrr+drσr=σθdr

σθ=

dσr

drdrr+drσr

dr

σθ=¿r dσr

dr +σrecuacion1:Estaecuaciondaunarelacionenσryσθ ¿

Normativa para el diseño de Recipientes a Presión y Tanques

de Almacenamiento (Internacionales)

Normativa para Recipientes a Presión.

1. NACE. MR0175/ISO15156: 2003/Circular 2007 Norma

utilizada en las Industrias de Petróleo y gas natural

– Materiales para uso en H2S - Ambientes que lo

contenga en producción de gas y petróleo

2. ISO 148-1: 2006

ISO 148-2/-3: 2008 Prueba de impacto de péndulo

charpy.

3. ISO 6507-1/-2: 2005 Prueba de dureza vickers.

4. ISO 6508-1/-2: 2005 Prueba de dureza Rockwell, escala

A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T.

5. ISO 9001: 2008 Sistema de gestión de calidad-

requisitos.

6. ISO 9004: 2000 Sistemas de gestión de la calidad –

Directrices para la mejora del desempeño

7. ISO 10005: 2005 Sistemas de gestión de la calidad-

directrices para los planes de la calidad.

8. ASME SECCION VIII DIVISION 1

Normas en Nuestro País

En cuanto al diseño de recipiente a presión en Venezuela la

empresa encargada del aspecto petrolero PDVSA (Petróleos de

Venezuela, S.A.) Ha establecido algunas especificaciones,

en su mayoría fundamentadas en el Código ASME. Estas

especificaciones se encuentran en el Manual de Ingeniería

de Diseño, Volumen 21 de esta empresa. A continuación se

mencionan algunas de ellas:

D-211-PRT Recipientes a presión

D-251-PRT Requerimientos de diseño para recipientes a

presión

D-252 Tanque semirremolque para transporte de GLP

YF-239-POT Requerimientos de control de calidad para

recipientes presión e intercambiadores de calor

A2.701 Tolerancias para recipiente a presión

A su vez, la Comisión Venezolana de Normas Industriales

(COVENIN) creada en 1958, es el organismo que ha elaborado

algunas normas para la verificación y certificación de

recipientes a presión, estas son:

(3139:1994) Cilindros de alta presión para gas. Prueba

hidrostática. Esta norma contempla los métodos de

ensayo para determinar si un cilindro de alta presión

para gas se encuentra en el rango de expansión

adecuado para su funcionamiento

(3017:2000) Cilindros de alta presión para gas

Normativa para Tanques de Almacenamiento.

Para el cálculo, diseño y construcción de estos equipos

existen varias Normas y Códigos, pero las más difundidas y

empleadas en las industrias de procesos son las del

American Petroleum Institute (API), siendo los estándares

aplicables los siguientes

API Standard 620 (1990): es aplicable a grandes tanques

horizontales o verticales soldados en el campo, aéreos que

operan a presiones en el espacio vapor menores a 2.5 psig y

a temperaturas no superiores a 93°C

API Standard 650 (1998): es aplicable a grandes tanques

horizontales o verticales soldados en el campo, aéreos que

operan a presiones en el espacio vapor menores a 1.5 psig y

a temperaturas no superiores a 121°C

API Specification 12D: es aplicable a tanques horizontales

o verticales soldados en el campo para almacenaje de

líquidos de producción y con capacidades estandarizadas

entre 75 y 1500 m3

API Specification 12F: es aplicable a tanques horizontales

o verticales soldados en taller para almacenaje de líquidos

de producción y con capacidades estandarizadas entre 13.5 y

75 m3

API Standard 653 (1991): es aplicable a la inspección,

reparación, alteración desmontaje y reconstrucción de

tanques horizontales o verticales, basándose en las

recomendaciones del STD API 650. Recomienda también la

aplicación de las técnicas de ensayos no destructivos

aplicables.

Existen otras normas:

ASME, Boiler and Pressure Vessel Code (edith 2001), Section

VIII y X: es aplicable para el diseño de diferentes

recipientes y tanques tanto cilíndricos, esféricos como de

sección rectangular. Se trata de los estándares más

reconocidos mundialmente en este campo de aplicación

Underwriters Laboratories (UL) Standard UL 142: es

aplicable a tanques de acero de diferentes diseños soldados

en taller para almacenaje de líquidos inflamables y

combustibles

British Standard (BS) 2594: es aplicable a tanques

cilíndricos horizontales de acero al carbono soldado

BS 4994: comprende las especificaciones para el diseño y

construcción de recipientes y tanques en plásticos

reforzados

BS 6374: comprende las especificaciones para el

recubrimiento de recipientes y tanques con materiales

poliméricos

ASTM D 3299 / 4021 / 4097: comprende las especificaciones

para tanques plásticos reforzados con fibra de vidrio

Mantenimiento para recipientes a presión

Mantenimiento correctivo, preventivo y predictivo de

recipientes y equipos retenedores de presión.

Recipientes estacionarios, para almacenaje, proceso y

tuberías. (ASME, API, ISO)

Cilindros de baja y alta presión, esferas, arreglos de

cilindros (almacenaje). (ASME DOT, ISO COVENIN)

Recipientes para la transportación. (ASME, DOT, ISO)

Determinando la aptitud para el servicio de los equipos,

definiendo y ejecutando las acciones correctivas destinadas

a restituir y conservar su vida útil, desarrollo e

implementación de programas de inspección periódica,

mantenimiento en general, según normas y estándares

aplicables, contemplando:

Inspección visual externa e interna.

Evaluación de revestimientos.

Medición de espesor por ultra sonido.

Inspección de soldaduras.

Aplicación de END.

Medición de dureza en campo.

Evaluación de daños y análisis de fallas (corrosión,

grietas, etc.)

Reparación.

Pruebas hidrostáticas en recipientes y tuberías.

Pruebas neumáticas (ensayos de fuga)

Mantenimiento de tanques de almacenamiento

Mantenimiento correctivo, preventivo y predictivo de

tanques de almacenamiento.

Tanques de almacenamiento industrial para productos

sólidos y líquidos. (API, etc)

Tanques para almacenamiento de agua en sistemas contra

incendio. (API, AWWA, etc)

Determinando la aptitud para el servicio de los equipos,

definiendo y ejecutando las acciones correctivas destinadas

a restituir y conservar su vida útil, desarrollo e

implementación de programas de inspección periódica,

mantenimiento en general, según normas y estándares

aplicables, contemplando:

Inspección visual externa e interna.

Evaluación de revestimientos.

Medición de espesor por ultra sonido.

Inspección de soldaduras.

Aplicación de END.

Medición de dureza en campo.

Evaluación de daños y análisis de fallas (corrosión,

grietas, etc.)

Reparaciones.

Mantenimiento preventivo tanque

El objetivo del control preventivo de un tanque es evitar

el deterioro del mismo para que no se produzca una avería.

El principal enemigo es la corrosión por ello deben tomarse

medidas especiales para impedir su formación. Se tomarán

medidas en:

Fondos de tanques

Se aplicará un recubrimiento que impida la corrosión en el

interior del tanque debido al agua que pueda encontrarse en

el mismo.

Paredes de tanque

El mantenimiento en el interior del tanque se centrará en

la primera virola; de forma que se evite la corrosión por

agua decantada. Para ello se aplicará un revestimiento

protector.

Cuando se almacenan productos pesados, éstos ya actúan como

protector anticorrosivo. Si se almacenan gasolinas en

tanques de pantalla flotante se producirá una pérdida de

espesor debido a las oscilaciones de las mismas por lo que

es necesario aplicar un revestimiento protector.

Externamente el tanque también debe protegerse aplicando un

revestimiento adecuado dependiendo de la zona en la que el

tanque se ubique, mejorando así la estética de la

instalación y disminuyendo las pérdidas de producto.

Es importante inspeccionar externamente el tanque cada 5

años por un inspector cualificado.

Techos fijos

Las chapas del techo del tanque pueden verse afectadas por

la corrosión debido a la condensación del vapor de agua

presente en la atmósfera o a vapores de productos

agresivos, por lo que se debe aplicar un revestimiento

protector.

Techos flotantes

La inspección del techo flotante presenta variaciones en lo

referente a inspección mensual rutinaria ya que en estos

tanques se debe controlar el sistema de drenaje, la

presencia de agua o producto sobre el techo, el

asentamiento del tanque y el estado de los sellos.

Para pantallas flotantes se debe aplicar un revestimiento

protector, del tipo de la cara inferior del techo flotante.

Mantenimiento correctivo tanques

Se llevará a cabo este tipo de control cuando se produzca

una avería en una de las partes sensibles del tanque o bien

si se alcanza el límite de vida esperado de alguna de las

partes sensibles del tanque.

La sustitución de elementos del depósito, tanto del equipo

de trasiego, como del sistema de seguridad, deberá

realizarse respetando el diseño inicial o normas estándar

de seguridad.

Se deberán tomar medidas de seguridad en todas las

operaciones de corte y soldadura por el peligro que éstas

llevan consigo