Análisis de Flexibilidad de Tuberías 2017-06-15T16:53:59-05:00
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Análisis de Flexibilidad de Tuberías

El análisis de flexibilidad de tuberías consiste en determinar el comportamiento de una tubería, al esfuerzo y deformación, por transportar un fluido a temperatura caliente, criogénica o que la misma tubería sea de una gran longitud. De este estudio de análisis de flexibilidad resulta el diseño de los soportes a la misma tubería para permitir el desplazamiento de expansión o de contracción de la tubería.

  • Líneas de tuberías de vapor (calientes).
  • Líneas de nitrógeno (criogénicas)
  • Ductos calientes
  • Soportes para tuberías
  • Cálculos de esfuerzos
  • Estaciones de bombeo y de válvulas
  • Sistema de venteo
  • Análisis térmico
  • Cambios de temperatura
  • Análisis de Flexibilidad en Sistemas de Tuberías
  • Consideraciones Generales

Para determinar los efectos de expansión y esfuerzos en un sistema de tuberías, es necesario conocer:

  1. Qué código se aplica al sistema.
  2. Las condiciones de presión y temperatura de diseño.
  3.  Las especificaciones del material.
  4. El diámetro de tubería y el espesor de pared de cada componente del sistema.
  5. El esquema del sistema incluyendo dimensiones y movimientos en cualquier punto.
  6. Limitaciones de reacciones finales en los puntos, tales como las establecidas por los fabricantes de equipos.

Teniendo determinadas las bases del problema, el código aplicable podría establecer los requerimientos mínimos de seguridad para el material a las condiciones de presión y temperatura de diseño. Algunos códigos especifican los factores de expansión térmica y el módulo de elasticidad para materiales comúnmente usados en tuberías, así como también proporcionan las fórmulas para determinar los factores de intensificación de esfuerzos y los factores de flexibilidad para los componentes del sistema.

El análisis de flexibilidad de tuberías consiste en determinar si una línea posee la suficiente capacidad para absorber las cargas que inciden sobre ella tales como el propio peso de la tubería, la expansión térmica, las fuerzas producidas por la presión del fluido, vibraciones, terremotos y otras. Uno de los factores que pueden aumentar o disminuir la flexibilidad de una tubería es su configuración geométrica.

Los sistemas de tuberías deben poseer la flexibilidad suficiente de manera que la expansión o la contracción térmica, así como los movimientos de soportes y equipos, no conduzcan a:

  • Falla de la tubería o de los soportes por esfuerzos excesivos o fatiga.
  • Fugas en las juntas.
  • Falla de las boquillas de los equipos conectados (recipientes a presión, bombas, turbinas.), por reacciones excesivas.

En las tuberías, así como en otras estructuras, el análisis de los esfuerzos puede llevarse a cabo con diferentes grados de precisión. En un extremo está la sencilla comparación con arreglos similares, que han cumplido satisfactoriamente con los requerimientos del servicio; en el otro extremo, están los métodos del cálculo, que envuelven largos y complicados procedimientos y que son relativamente costosos para un grupo de ingeniería. Por esta razón debe asegurarse que se cumplan los siguientes requerimientos como mínimo:

  • El  rango  de  esfuerzos en cualquier  punto  debido a desplazamientos en el sistema no debe exceder el rango de esfuerzos permisibles establecido en la sección de esfuerzos admisibles.
  • Las fuerzas de reacción no deben perjudicar a los soportes o equipos conectados
  • Los movimientos de la tubería deben estar dentro de los límites establecidos.

Existen dos modalidades de análisis de flexibilidad:
El análisis de flexibilidad informal y el análisis de flexibilidad formal.

En este aspecto, el código ASME B31.3 identifica ciertas condiciones, para las cuales no se requiere el análisis formal para confirmar la aceptabilidad de la tubería, desde el punto de vista de su flexibilidad. Estas condiciones son:

  • El sistema es similar a otro que ha funcionado con récord exitoso de servicio productivo.
  • El sistema puede ser juzgado rápidamente por comparación con otros sistemas similares analizados previamente.
  • El sistema es de tamaño uniforme, no tiene más de dos puntos de fijación sin apoyos ni restricciones intermedias.

En caso de no cumplir con lo antes mencionado, se requiere realizar un análisis de flexibilidad normal.

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Pipe Flexibility Analysis

From this study of flexibility analysis it is the design of the supports to the same pipe to allow the displacement of expansion or contraction of the pipe.

  • Lines of steam pipes (hot).
  • Nitrogen lines (cryogenic)
  • Hot ducts
  • Pipe Supports
  • Effort calculations
  • Pumping stations and valves
  • Venting System
  • Thermal analysis
  • Temperature changes
  • Flexibility Analysis in Piping Systems
  • General considerations

To determine the expansion effects and stresses in a piping system, it is necessary to know:

  1. What code is applied to the system.
  2. Design pressure and temperature conditions.
  3. The specifications of the material.
  4. The pipe diameter and the wall thickness of each component of the system.
  5. The scheme of the system including dimensions and movements at any point.
  6. Limitations of final reactions on points, such as those established by equipment manufacturers.

Having determined the basis of the problem, the applicable code could establish the minimum safety requirements for the material at the design pressure and temperature conditions. Some codes specify thermal expansion factors and modulus of elasticity for materials commonly used in piping as well as provide formulas for determining stress intensification factors and flexibility factors for system components.

Pipeline flexibility analysis consists of determining whether a line has sufficient capacity to absorb the loads that affect it such as the pipe weight itself, thermal expansion, forces produced by fluid pressure, vibrations, earthquakes, and Others. One of the factors that can increase or decrease the flexibility of a pipe is its geometric configuration.

Pipe systems must have sufficient flexibility so that expansion or thermal contraction, as well as movements of supports and equipment, do not lead to:

  • Failure of piping or supports due to excessive stress or fatigue.
  • Leaks in the joints.
  • Failure of nozzles of connected equipment (pressure vessels, pumps, turbines.), by excessive reactions.

In pipes, as well as in other structures, the analysis of the stresses can be carried out with different degrees of precision. At one extreme is the simple comparison with similar arrangements, which have satisfactorily met the requirements of the service; At the other extreme are calculation methods, which involve lengthy and complicated procedures and are relatively expensive for an engineering group. For this reason, it must be ensured that the following requirements are met:

  • The range of stresses at any point due to displacements in the system must not exceed the range of allowable stresses established in the section of allowable stresses.
  • Reaction forces should not be detrimental to connected media or equipment.
  • The pipe movements must be within the established limits.

There are two modalities of flexibility analysis:
The informal flexibility analysis and the formal flexibility analysis.

In this respect, ASME code B31.3 identifies certain conditions, for which formal analysis is not required to confirm the acceptability of the pipe from the point of view of its flexibility. These conditions are:

  • The system is similar to one that has worked with a successful record of productive service.
  • The system can be judged quickly by comparison with other similar systems previously analyzed.
  • The system is of uniform size, has no more than two fixing points without supports or intermediate restrictions.

If it does not comply with the above, a normal flexibility analysis is required.

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