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Para aceros al carbono, el servicio criogénico se puede considerar cuando se trabaja a temperaturas menores a -55ºF (-48ºC). En estos casos se toma en cuenta requisitos especiales en los materiales, como la prueba de impacto y tratamientos térmicos, debido al aumento de su fragilidad a bajas temperaturas.
Requisitos generales de diseño
Los requisitos del generales para todos los métodos de construcción y todos los materiales se encuentran en la Sub-Sección A de la Sección VIII de la división 1 del código. Esta sub-sección incluye reglas sobre los materiales, el espesor de los recipientes, el refuerzo de las aberturas, la inspección y las pruebas y los dispositivos de alivio de presión. La mayoría de recipientes a presión están sometidos a presión interna, sin embargo cuando el proceso implica un vació dentro del recipiente, estos se consideran como presión externa, y en ciertos casos requieren de anillos de refuerzo. Los procedimientos de diseño para la presión externa se dan en los párrafos UG-28, 29, 30 y 33 del Código. Como hablamos anteriormente, el cuerpo de los recipientes, pueden ser esféricos o cilíndricos, y los cuerpos cilíndricos pueden contener secciones cónicas. El código tiene recomendaciones sobre estas transiciones entre partes cilíndricas o con las cabezas. Para cuerpos cilíndricos se puede utilizar tubería sin costura; en ese caso el cálculo de espesores requeridos está especificado por el párrafo UG-27 para presión interna y UG-28 para presión externa. Para las cabezas se pueden utilizar de varios tipos ya sean soldados o empernados, con distintas geometrías. Estas especificaciones están incluidas en el Apéndice Mandatorio 1, sobre Fórmulas Suplementarias de Diseño. Se habla principalmente de tres tipos de cabezas formadas, las cuales pueden tener forma hemisférica, elipsoidal o toriesférica. También se incluye la cabeza toricónica y la sección cónica, dependiendo de los requerimientos del proceso. Para el cálculo de espesores de las cabezas formadas los requisitos se encuentran en los párrafos UG-32 para presión interna sobre el lado cóncavo y UG-33 para la presión sobre el lado convexo, es decir, presión externa. Para determinar la temperatura de diseño máxima, se establece la temperatura máxima a la cual el equipo puede llegar en operación. Una buena práctica, es la de aumentar 25ºF a la máxima temperatura de operación para determinar la temperatura de diseño. La temperatura mínima utilizada en el diseño, es la temperatura mínima esperada en servicio excepto, cuando se permite una temperatura menor según las especificaciones de la división 1 UCS-66 y UCS-160. En este caso, se determina la MDMT (Minimum Design Metal Temperature) o temperatura mínima de diseño del metal, según el código, y se determina si es necesario la prueba de impacto al material en bajas temperaturas. Para determinar la presión de diseño, se toma en cuenta la máxima presión esperada en la condición más severa en servicio. El código recomienda aumentar un margen sobre esta presión, y es una práctica común aumentar el mayor valor entre 30 psi y 10% de esta presión. La máxima presión permisible de trabajo se la calcula en la sección más débil del recipiente, a la temperatura máxima de diseño y en condiciones corroídas. Otro concepto importante, es el del valor del esfuerzo máximo permisible, el cual es un valor máximo permitido del esfuerzo a tensión del material dado, para realizar los cálculos para el diseño de recipientes bajo este código. Los valores del esfuerzo máximo permisible están dados por la subparte 1 de la Sección II, parte D, del código ASME de Calderas y Recipientes a presión. Dependiendo del servicio al que esté expuesto el recipiente, puede existir corrosión interna debido al fluido. El gradiente de corrosión debe ser indicado por el usuario o la persona designada, y se tomará en cuenta para que todas las partes del recipiente que puedas estar expuestas a dicha corrosión tengan un sobre espesor y así diseñar el equipo para una determinada vida útil. Todos los recipientes expuestos a corrosión deben tener un drenaje en el punto más bajo del recipiente como se indica en el párrafo UG-25. Todos los recipientes a presión tienen aberturas en el cuerpo y cabezas para la conexión de elementos que tienen distintos propósitos, ya sea para la entrada y salida de fluidos, para instrumentos de medición, para inspección o mantenimiento. A causa de las aberturas en las paredes del recipiente, éste pierde la capacidad de soportar los esfuerzos generados por la presión en la zona en la que se retira parte del material, por lo que comúnmente se requiere un refuerzo alrededor de las aberturas. Esto ocurre cuando hay conexiones de tobera para tuberías o aberturas tapadas para inspección y acceso. Puesto que los cuerpos de los recipientes a presión se diseñan por lo común para esfuerzos que se acercan al máximo permitido por el Código, es necesario compensar el efecto debilitador de las aberturas. El Código especifica que las aberturas con un diámetro no mayor a 2 3/8” y espesor mínimo requerido de 3/8” o menor; y aquellas que tengan un diámetro no mayor a 3 ½” y espesor mínimo requerido mayor a 3/8 no necesitan un refuerzo. Sin embargo, si no cumplen con estas especificaciones se puede eliminar el refuerzo incrementando espesores de lámina o conexión o a su vez aumentando la altura de la soldadura. Los detalles se pueden encontrar en los párrafos UG-36 a 42 del Código. La forma y el tamaño de las aberturas no está limitado por el código, sin embargo, se deben cumplir con ciertos requisitos y tomar en cuenta recomendaciones para aberturas de ciertas formas y determinados tamaños. En el párrafo UG-36 se especifica ciertos tamaños de las aperturas y el resto en el Apéndice 1-7. Existen configuraciones recomendadas para las aberturas y la disposición de la soldadura en juntas con refuerzo y sin refuerzo, en las cuales se basará la aplicación computacional a desarrollada. Para las conexiones de las bocas a tuberías de proceso, el código recomienda ciertos métodos para añadir los cuellos a la pared del recipiente como se establece en el párrafo UG-43 y se pueden utilizar accesorios roscados o bridas. Los estándares aceptados por el código para bridas y accesorios son las establecidas por la ASME/ANSI como se establece en la parte UG-11 del código. La geometría, dimensiones y espesores de cada uno de estos elementos que se relacionan con este proyecto, están especificados en los siguientes estándares:
Los estándares aceptados por el código para bridas y accesorios son las establecidas por la ASME/ANSI como se establece en la parte UG-11 del código. La geometría, dimensiones y espesores de cada uno de estos elementos que se relacionan con este proyecto, están especificados en los siguientes estándares: ASME/ANSI 16.5 Bridas y accesorios de tuberías. ASME/ANSI 16.9 Accesorios prefabricados soldados a tope. ASME/ANSI 16.11 Accesorios forjados embonados y roscados. ASME/ANSI 16.47 Bridas de diámetro largo.
EL código especifica las tolerancias de formado para las secciones del cuerpo y las cabezas. En el párrafo UG-80, se indica la tolerancia de fuera de redondez permitida para presión interna y externa. Para la construcción de las cabezas formadas, se indica en el párrafo UG-81, que la desviación de la forma hacia afuera no puede exceder en 1.25% del diámetro interior y de la forma hacia adentro del recipiente no puede ser mayor a 0.625% del diámetro interior. De igual forma determina la tolerancia para las cabezas hemisféricas y porciones esféricas del recipiente. Las conexiones bridadas tienen ciertos procedimientos de diseño a seguir, tal como lo indica el Apéndice 2 del código, en donde se define los tipos de bridas y de juntas que son recomendables usar. Presenta procedimientos y curvas para el cálculo de esfuerzos, momentos y cargas en las bridas. Habla también sobre las cargas en los pernos y la utilización de los empaques. Cuando se manejan altas presiones, la seguridad es mandatorio en el código, por lo que es necesario que todos los recipientes a presión tengan dispositivos de alivio de seguridad, los cuales pueden ser válvulas o discos de ruptura. Estos dispositivos deben ser calibrados a lamáxima presión de operación con un margen de sobre presión que no rebase la presión de diseño y por lo general están ensamblados directamente sobre el recipiente o mediante un cuello de tubería con un diámetro igual al de la entrada de la dispositivo. Todas las especificaciones y requisitos están descritas en los párrafos del UG-125 al UG-
Códigos estructurales adicionales El Código de Recipientes a Presión y Calderas, no es un manual de ingeniería, sino, una norma que contiene requisitos mínimos para que los recipientes a presión mantengan un nivel de seguridad adecuado para las personas, infraestructura y medio ambiente. Por esta razón, existen ciertos elementos adicionales a los recipientes que dejan a criterio del equipo de diseño y del fabricante. Existen otras asociaciones e institutos que elaboran estándares y códigos lo cuales contienen información para el diseño y construcción de los elementos que no se encuentran dentro del alcance del la sección VIII división 1 del código ASME. A continuación mencionaremos a aquellos que más comúnmente se aplican: ASTM (American Society Testing of Materials). Esta norma es la base para la selección de los materiales aceptados en la Sección II del Código ASME. AISC (American Institute of Steel Construction)
. Es una de las normas más utilizadas en el diseño de recipientes a presión y en general de muchos equipos, esta norma contiene ecuaciones y diseños prácticos para acero estructural. Se recomienda su uso en cálculos de edificios, puentes o en cualquier estructura de acero tales como soportes, sistemas de rigidización etc. ANSI (American National Standards Institute)
. Clasifica la aplicación del sistema de tuberías, bridas, pernos, roscas, válvulas. En la norma ANSI B16.5 y B16.47 se encuentran las especificaciones dimensionales y las presiones a las cuales pueden ser sometidas las bridas. El código permite que se utilicen este tipo de bridas hasta sus presiones y temperaturas nominales, sin necesidad de calcular sus esfuerzos. Existen además otras normas que complementan el diseño de recipientes a presión y que se en listan adelante: Para Recipientes a Presión: BSI (British Standards Institution) CSA (Canadian Standards Association) Para Tuberías: ASME B31.1.- Tubería de Potencia, ASME B31.3.- Tubería de proceso, ASME B31.4.- Sistema de transporte de hidrocarburos y otros líquidos, ASME B31.5.- Tubería para refrigeración, ASME B31.8.- Sistemas de trasporte y distribución de gas. Para Soldadura: AWS (American Welding Society) D1.1. Esta norma proporciona información fundamental de soldadura, diseño de juntas, calificación, pruebas e inspección y también una guía de la aplicación y uso de la soldadura, en estructuras de acero. Accesorios y Válvulas: ANSI (American National Standards Institute) Estándares y normas de dibujo Existen estándares y normas que establecen cierta simbología, procedimientos y prácticas en la elaboración de planos para dar uniformidad en la interpretación técnica de los diseños. Por esta razón, los organismos encargados de cada país ha publicado ciertos documentos que se pueden usar como referencia. A continuación se explican los más relevantes: INEN (Instituto Ecuatoriano de Normalización)
.- Código de Dibujo Técnico- Mecánico CPE 03:0000. Esta norma contiene recomendaciones técnicas basadas en varios estándares internacionales para la presentación de planos de ingeniería mecánica. ASME - Y14.5M. Dimensionamiento y Tolerancias del dibujo en ingeniería. Este estándar incluye prácticas uniformes para presentar e interpretar el dimensionamiento, tolerancias y requerimientos relacionados con el uso de dibujos de ingeniería y documentos relacionados. ASME -Y14.41. Información y definiciones para productos digitales. Este estándar establece requisitos y documentos referenciales para la preparación y revisión de la información y definiciones de productos en formato digital, es decir, que estén dibujados bajo algún tipo aplicación CAD o software de dibujo técnico. ASME Y14.100. Prácticas de Dibujo en Ingeniería. Este estándar establece los requerimientos esenciales y los documentos de referencia aplicables para la preparación y revisión de dibujos de ingeniería y listas asociadas.
Diseño de soportes Existen varios tipos de soportes de acuerdo a la orientación del recipiente y de su forma. Estos elementos, a pesar de no estar sometido a presión, son cruciales para mantener la vida útil deseada y una seguridad integral para el proceso y operadores. El método de diseño de los soportes para recipientes horizontales fue desarrollado por L.P. Zick en 1951, que consiste en analizar los esfuerzos en el recipiente y en los soportes, cuando este essoportado por dos sillas Para los recipientes verticales se utilizan perfiles o tubería para mantener en pie al recipiente. Estos soportes denominados patas pueden tener varias configuraciones.
Elementos de izaje Para poder transportar los equipos, existen elementes adicionales que son parte de los recipientes. Estos elementos por lo general son las orejas de izaje, las cuales se diseñan a criterio del ingeniero diseñador. El código no tiene restricciones en cuanto a estos elementos, sin embargo, existen algunas recomendaciones para su diseño que son utilizadas de forma regular.
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