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Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UNIDAD AZCAPOTZALCO

TESIS

“DISEÑO MECÁNICO DE UNA TORRE EMPACADA CON DIAMETRO DE 60

PULGADAS Y 12 PIES DE ALTURA DE SOLDADURA A SOLDADURA.”

Que para obtener el título de:

Ingeniero Mecánico

Presenta:

MARIO ALBERTO CÓRDOVA CHABLÉ DANTE GÓMEZ VILLANUEVA

JOSÉ LUIS TEJEDA HERNÁNDEZ DAVID VEGA FLORES

Asesor:

M. EN C. JOSÉ LUIS MORA RODRÍGUEZ

MÉXICO D.F. a 23 DE JUNIO DE 2011

las

AGRADECIMIENTOS.

A Dios por llenar mi vida de dicha y bendiciones.

A mi padre y madre por todo el apoyo, comprensión y amor que me han brindado

durante toda mi vida, gracias por estar conmigo y ayudarme a cumplir mis sueños.

Esta gran victoria también es suya y se las dedico. Espero mi vida esté llena de ellas y

ustedes estén presentes para compartirlas y celebrarlas conmigo. Los amo.

A mis hermanos Carlos y Jorge Luis por todo lo vivido juntos. Ustedes son mi motivo

para ser un mejor ser humano.

A mis compañeros de tesis quienes a lo largo de la convivencia generada por este trabajo

me brindaron su amistad. Gracias.

Al M. en C. José Luis Mora Rodríguez por el apoyo y la confianza depositada en

nosotros. Agradezco su cátedra y el entusiasmo con el que realiza su trabajo, espero yo

hacer lo mismo de ahora en adelante.

Mario Alberto.


AGRADECIMIENTOS.

Son muchas las personas especiales a las que me gustaría agradecer su amistad, apoyo,

ánimo y compañía en las diferentes etapas de mi vida. Sin importar en dónde estén o si

alguna vez llegan a leer estas dedicatorias quiero darles las gracias por formar parte de

mí, por todo lo que me han brindado y por sus bendiciones.

A mis padres quienes infundieron la ética y el rigor que guían mi transitar por la vida.

A mi asesor de tesis y una de las personas que más admiro por su inteligencia y sus

conocimientos, el Prof. José Luis Mora.

A mis hermanos por ayudarme y apoyarme sin condiciones.

A mis amigos por su amistad y lealtad.

A mis maestros por su disposición y apoyo brindados.

Dante.


AGRADECIMIENTOS.

Y no teniendo ahora más recursos que ofrecer a cambio de todo lo que me han dado, el

único recurso que me queda es el de brindar incondicionalmente mi eterna gratitud.

Muchas Gracias a mis padres, yo sé que no encontraré apoyo y cariño más grande que el

de ellos, por eso las palabras están de más y solo quiero escribirles esto; para que aunque

a veces esté en otros rumbos y alejado de ustedes, siempre tengan presente el incondicional

respeto y admiración de su hijo.

Gracias por siempre hermanas, Yamel, Geraldine y Joseline, saben que son mi fortaleza

más grande, las respeto y las amo, son mi inspiración en esta continua lucha de ser mejor

cada día, por siempre estarán en mis pensamientos y mi corazón.

Existen también personas que me apoyaron desde el principio. Mamarosa, Tío Fidel,

Tía Mariana, Tía Maritza, Tía Yuyi, los quiero mucho; y esta victoria cumplida

también la celebro con ustedes porque cuando necesité su apoyo ahí estuvieron siempre para

brindarme sin miramientos lo que necesitara en todo momento, por eso y muchas otras

cosas muchísimas gracias a todos.

Muchas gracias al M. en C. José Luis Mora Rodríguez por su apoyo incondicional y

continua labor conjunta, con el fin en común de lograr este trabajo.

Aquí culmina mi etapa profesional pero comienza la etapa más difícil e impredecible, la

de responder como el profesional en el que me convertí, y la de seguir luchando hasta

lograr los objetivos planteados y aunque los tiempos sean difíciles no harán más que

engrandecer la gloria del triunfo.

José Luis.


DISEÑO MECÁNICO DE UNA TORRE EMPACADA

I

OBJETIVO GENERAL.

DISEÑAR MECÁNICAMENTE UNA TORRE EMPACADA, BASÁNDOSE EN LA

NORMATIVIDAD VIGENTE EN NUESTRO PAÍS, ASÍ COMO EN LAS NORMAS

INTERNACIONALES.


II

OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

- DISEÑO MECÁNICO DEL EXTERIOR DEL EQUIPO.

- DISEÑO MECÁNICO DEL INTERIOR DEL EQUIPO.

- DISEÑO DE SOPORTES POR SISMO, VIENTO Y VIBRACIÓN.

- DISEÑO MECÁNICO DE LA CIMENTACIÓN MÍNIMA REQUERIDA EN EL

EQUIPO.

- GENERACIÓN DE PLANOS DE TALLER ACORDES CON EL DISEÑO MECÁNICO.


III

JUSTIFICACIÓN.

DEBIDO A QUE ESTE TIPO DE EQUIPOS SE UTILIZAN DE MANERA COMÚN EN LA

INDUSTRIA PETROQUÍMICA, SE HACE OBLIGADO EL CONTEMPLAR UN PROCESO DE

CÁLCULO MECÁNICO ADECUADO A LAS NECESIDADES QUE EL PAÍS REQUIERE. YA

QUE NO EXISTE UN DOCUMENTO QUE CUBRA ÉSTAS CARACTERÍSTICAS, SE

PROPONE BAJO NORMAS Y DISEÑOS ESPECÍFICOS ÉSTE TRABAJO QUE DEJARÁ

UNA GUÍA PARA TODO AQUEL INGENIERO QUE REQUIERA DE ESTA INFORMACIÓN,

DE MANERA CONCENTRADA, PUNTUAL Y ESPECÍFICA.

ÍNDICE

OBJETIVO GENERAL. ....................................................................................................................... I

OBJETIVOS ESPECÍFICOS. ............................................................................................................... II

JUSTIFICACIÓN. ............................................................................................................................ III

INTRODUCCIÓN. ............................................................................................................................ 9

CAPÍTULO 1.- GENERALIDADES. .................................................................................................. 10

1.1. RECIPIENTES A PRESIÓN. .................................................................................................. 11

1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS RECIPIENTES A PRESIÓN. ............................................................ 11

1.2.1. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A SU USO. .................................................................. 11

1.2.2. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A SU FORMA. ............................................................. 12

1.3. ELEMENTOS QUE COMPONEN LOS RECIPIENTES SUJETOS A PRESIÓN. .................. 12

1.3.1. TIPOS DE TAPAS EN RECIPIENTES BAJO PRESIÓN INTERNA. ..................................... 13

1.3.2. BOQUILLAS EN RECIPIENTES A PRESIÓN. .................................................................. 18

1.3.2.1. ESPESORES DE LOS CUELLOS DE LAS BOQUILLAS. ............................................. 18

1.3.2.2. SELECCIÓN DE BRIDAS PARA BOQUILLAS. .......................................................... 19

1.5. TORRES EMPACADAS. ...................................................................................................... 24

1.6. SOLDADURA EN RECIPIENTES A PRESIÓN. ....................................................................... 24

CAPÍTULO 2.- NORMATIVIDAD. ................................................................................................... 31

2.1. GENERALIDADES SOBRE EL CÓDIGO ASME. ..................................................................... 32

2.1.1. CÓDIGO ASME, SECCIÓN VIII, DIVISIÓN 1. ................................................................ 34

2.1.1.1. Subsección A. ..................................................................................................... 35

2.1.1.2. Subsección B. ...................................................................................................... 37

2.1.1.3. Subsección C. ...................................................................................................... 38

2.1.1.4. Apéndices Obligatorios. ..................................................................................... 39

2.1.2. Código ASME, Sección VIII, División 2. ...................................................................... 39

2.1.2.1. Parte A. ............................................................................................................... 40

2.1.2.2. Parte AM. ........................................................................................................... 40

2.1.2.3. Parte AD. ............................................................................................................ 40

2.1.2.4. Parte AF. ............................................................................................................. 41

2.1.2.5. Parte AR. ............................................................................................................. 41

2.1.2.6. Parte AL. ............................................................................................................. 41

2.1.2.7. Parte AT. ............................................................................................................. 41

2.1.2.8. Parte AS. ............................................................................................................. 41

2.1.2.9. Apéndices. .......................................................................................................... 42

2.2. CONSIDERACIONES DEL CÓDIGO ASME. .......................................................................... 42

2.2.1. LA SEGURIDAD EN EL DISEÑO. .................................................................................. 43

2.2.2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE RECIPIENTES.............................................................. 47

2.2.3. CUIDADOS DE LOS RECIPIENTES A PRESIÓN. ............................................................ 48

CAPÍTULO 3.- CRITERIOS DE DISEÑO. .......................................................................................... 51

3.1. FACTORES A TOMAR EN CUENTA PARA EL DISEÑO DEL RECIPIENTE. ............................. 52

3.2. FÓRMULAS EMPLEADAS EN EL DISEÑO DEL RECIPIENTE. ................................................ 55

3.3. ORIENTACIONES PARA DECIDIR CUANDO UNA TORRE EMPACADA ES LA SOLUCIÓN A UN

PROBLEMA DE TRANSFERENCIA DE MASA. ............................................................................ 64

3.4.CARACTERÍSTICAS A DEFINIR EN EL DISEÑO DE UNA TORRE EMPACADA. ....................... 65

3.5. SELECCIÓN DEL EMPAQUE. .............................................................................................. 65

CAPÍTULO 4.- MEMORIA DE CÁLCULO. ....................................................................................... 68

4.1. CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES....................................................................................... 69

4.2. CÁLCULO DEL PESO DEL RECIPIENTE. ............................................................................... 72

4.3. CÁLCULO DE LAS BOQUILLAS. .......................................................................................... 73

4.4. CÁLCULO DE LAS OREJAS DE IZAJE. .................................................................................. 77

4.5. CÁLCULO DE FALDÓN. ...................................................................................................... 79

4.6. CÁLCULO DE CIMENTACIÓN. ............................................................................................ 81

CAPITULO 5.- PLANOS Y ESPECIFICACIONES. ............................................................................. 84

5.1. DATOS DE DISEÑO. ........................................................................................................... 85

5.2. DATOS BOQUILLAS Y CONEXIONES. ............................................................................... 85

5.3. ESPECIFICACIÓN DE MATERIALES (ASTM). ....................................................................... 86

5.4. LISTA DE PARTES. ............................................................................................................ 87

5.5. INSTRUMENTACIÓN. ...................................................................................................... 88

5.5.1. INDICADOR DE NIVEL. ............................................................................................... 88

5.5.2. INDICADOR DE PRESIÓN. ........................................................................................... 89

5.5.3. INDICADOR DE TEMPERATURA. ................................................................................ 89

5.6. PLANOS. .......................................................................................................................... 89

CAPITULO 6.- CONCLUSIONES. .................................................................................................... 90

GLOSARIO. ................................................................................................................................... 94

BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................................................. 97

APÉNDICES .................................................................................................................................. 98

ÍNDICE DE FIGURAS Y GRÁFICOS

Fig.1.- Tanque de almacenamiento de diesel a presión. ........................................... 11

Fig.2.- Manómetro de presión positiva. .................................................................. 12

Fig.3.-Tapa Plana. ................................................................................................ 13

Fig.4.-Tapa Toriesférica. ....................................................................................... 13

Fig.5.- Tapa Semielíptica. ...................................................................................... 14

Fig. 6.- Tapa Semiesférica. .................................................................................... 14

Fig.7.- Tapa 80:10. .............................................................................................. 15

Fig.8.- Tapa Cónica. ............................................................................................. 15

Fig.9.- Tapa Toricónica. ........................................................................................ 16

Fig.10.- Tapa Plana con Ceja. ................................................................................ 16

Fig.11.- Tapa Únicamente Abombada..................................................................... 17

Fig.12.- Tapa Abombada con Ceja Invertida. .......................................................... 17

Fig. 13.- Principales boquillas en los recipientes a presión. ....................................... 19

Fig. 14.- Brida de Cuello Soldable. ......................................................................... 20

Fig.15.- Brida Deslizable. ...................................................................................... 21

Fig.16.- Brida de Traslape. .................................................................................... 21

Fig.17.- Brida Roscada. ......................................................................................... 22

Fig.18.- Brida de Enchufe Soldable. ....................................................................... 22

Fig.19.- Brida Ciega. ............................................................................................. 23

Fig.20.- Brida Especial. ......................................................................................... 23

Fig. 21- Fábrica de zapatos antes y después de la explosión de una caldera. ............. 32

Fig. 22.- Cuadro de referencias de la Sección VIII donde se muestran los típicos

lugares soldados de las categorías A, B, C y D. ....................................................... 35

Fig. 23.- Inspección de soldadura por rayos X y por rayos gamma. ........................... 45

Fig. 24.- Inspección de soldadura por ultrasonido. .................................................. 46

Fig. 25.- Inspección magnética circunferencial y longitudinal. ................................... 46

Fig. 26.-Gráfica para tamaño óptimo del recipiente. ................................................ 70

Fig. 27.-Anillo de refuerzo (configuración básica). ................................................... 76

Fig. 28.- Diagrama de cuerpo libre de la oreja de Izaje. ........................................... 77

ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 1.- APLICACIÓN Y SIMBOLOS DE SOLDADURA ............................................. 25 TABLA 2.- FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE DIMENSIONES DEL RECIPIENTE. ........ 55 TABLA 2A.- NOMENCLATURA DE LAS FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE DIMENSIONES

DEL RECIPIENTE .............................................................................................. 55 TABLA 3.- FORMULAS PARA EL CÁLCULO DE BOQUILLAS ........................................ 56 TABLA 3A.- NOMENCLATURA DE LAS FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE DIMENSIONES

DEL RECIPIENTE .............................................................................................. 57 TABLA 4.- FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE OREJAS DE IZAJE ............................... 58 TABLA 4A.- NOMENCLATURA DE LAS FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE OREJAS DE

IZAJE ............................................................................................................... 59 TABLA 5.- FÓRMULAS PARA CÁLCULO DE FALDÓN. ................................................ 60 TABLA 5A.- NOMENCLATURA DE LAS FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE FALDÓN. .... 61 TABLA 6.- FÓRMULAS PARA CÁLCULO DE CIMENTACIÓN. ....................................... 61 TABLA 6A.- NOMENCLATURA DE LAS FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE

CIMENTACION. ................................................................................................. 63 TABLA 7.- PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS PLÁSTICOS. ........................................... 66 TABLA 8.- CARACTERÍSTICAS DEL EMPAQUE. ........................................................ 67 TABLA 9.- BOQUILLAS ......................................................................................... 73


9

INTRODUCCIÓN.

El presente trabajo tiene como finalidad desarrollar el diseño mecánico de un

recipiente de proceso sujeto a presión, tipo torre empacada.

El objetivo principal del mismo es mostrar las consideraciones básicas necesarias para

el diseño de estos equipos, sirviendo a la vez como guía práctica, donde se detallan de

forma puntual los pasos a seguir para lograr el objetivo planteado.

La función de las torres empacadas como recipiente de proceso para nuestro caso es el

de servir como equipo filtrante, variando su uso dependiendo de las sustancias que

debe ser sujeta a proceso de filtración.

El planteamiento de este trabajo se realizó por el interés de desarrollar avances en

ingeniería ya que la dependencia extranjera en la misma rama, limita en gran medida

el crecimiento económico y tecnológico nacional.

Para facilitar el estudio del presente, se estableció un orden de desarrollo que

comprende en el Capítulo I los principios básicos del diseño de los recipientes a

presión, conceptos tales como la definición, su clasificación, etc.

Posteriormente se trata en el Capítulo II los temas correspondientes a las normas bajo

las cuales se rigen el diseño de los recipientes sometidos a presión.

A continuación en el Capítulo III se exponen los factores que deben considerarse en el

diseño de una torre empacada; así como de la instalación que esta requiere y la

metodología utilizada para la misma.

El capítulo IV comprende basicamente la memoria de cálculo, describiendo la

metodología empleada para el diseño de la torre empacada.

Los planos de diseño fundamentados en los resultados de los cálculos se muestran en

el Capítulo V.

Por cuestiones de ejemplo práctico el trabajo se limita a las condiciones de operación

y al lugar de instalación del equipo, sirviendo de guía donde el diseño del equipo será

de acuerdo a las distintas variantes que plantee el diseñador.


10

CAPÍTULO 1.- GENERALIDADES.

En este capítulo se abordaran los principios básicos, del diseño de los recipientes a

presión, conceptos tales como la definición, su clasificación, los elementos que los

componen, el tipo de soldadura comúnmente empleada, entre otros temas de

importancia para el conocimiento de estos equipos mecánicos.


11

1.1. RECIPIENTES A PRESIÓN.

Se considera como un recipiente a presión cualquier deposito cerrado que sea capaz de

almacenar un fluido a presión manométrica, ya sea presión interna o de vacío,

independientemente de su forma y dimensiones. (Fig. 1).

Fig.1.- Tanque de almacenamiento de diesel a presión.

1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS RECIPIENTES A PRESIÓN.

Los recipientes a presión se pueden clasificar ya sea por su uso o por su forma.

1.2.1. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A 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, entre otros.

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, en

general son equipos en los que dentro de ellos se lleva a cabo algún tipo de transformación.


12

1.2.2. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A 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 y mucho más cara en comparación con los recipientes cilíndricos.

Los tipos más comunes de recipientes pueden ser clasificados de acuerdo a su geometría como:

Recipientes Abiertos.

Tanques Abiertos.

Recipientes Cerrados.

Tanques cilíndricos verticales, fondo plano.

Recipientes cilíndricos horizontales y verticales con cabezas formadas.

Recipientes esféricos.

1.3. ELEMENTOS QUE COMPONEN LOS RECIPIENTES SUJETOS A

PRESIÓN.

Entre los elementos mecánicos que componen un recipiente a presión, los de mayor

importancia tenemos: cuerpo, tapas, elementos de apoyo, boquillas e instrumentos de medición

tal como el que se muestra en la Fig. 2.

Fig.2.- Manómetro de presión positiva.


13

1.3.1. TIPOS DE TAPAS EN RECIPIENTES BAJO PRESIÓN INTERNA.

Los recipientes sometidos a presión pueden estar construidos por diferentes tipos de tapas o

cabezas. Cada una de estas es más recomendable a ciertas condiciones de operación y costo

monetario.

TAPAS PLANAS:

Se utilizan para recipientes sujetos a presión atmosférica, generalmente, aunque en algunos

casos se usan también en recipientes a presión. Su costo entre las tapas es el más bajo. Se

utilizan también como fondos de tanques de almacenamiento de grandes dimensiones. (Fig. 3).

Fig.3.-Tapa Plana.

TAPAS TORIESFÉRICAS:

Son las de mayor aceptación en la industria, debido a su bajo costo y a que soportan grandes

presiones manométricas, su característica principal es que el radio del abombado es

aproximadamente igual al diámetro. Se pueden fabricar en diámetros desde 0.3 hasta 6 m.

(11.8 - 236.22 pulgs.). (Fig. 4).

Fig.4.-Tapa Toriesférica.

t

D

C. R.

L. T.

t

D

r

R

.

R


14

TAPAS SEMIELÍPTICAS:

Son empleadas cuando el espesor calculado de una tapa toriesférica es relativamente alto, ya

que las tapas semielípticas soportan mayores presiones que las toriesféricas. El proceso de

fabricación de estas tapas es troquelado, su silueta describe una elipse relación 2:1, su costo es

alto y en México se fabrican hasta un diámetro máximo de 3 m. (Fig. 5).

Fig.5.- Tapa Semielíptica.

TAPAS SEMIESFÉRICAS:

Utilizadas exclusivamente para soportar presiones críticas, como su nombre lo indica, su silueta

describe una media circunferencia perfecta, su costo es alto y no hay límite dimensional para su

fabricación. (Fig. 6).

Fig. 6.- Tapa Semiesférica.

C. R.

t

D

L. T. R

r

R

t

D

L. T.


15

TAPA 80:10:

Ya que en México no se cuentan con prensas lo suficientemente grande, para troquelar tapas

semielípticas 2:1 de dimensiones relativamente grandes, hemos optado por fabricar este tipo de

tapas, cuyas características principales son: El radio de abombado es el 80% de diámetro y el

radio de esquina o de nudillos es igual al 10% del diámetro. Estas tapas las utilizamos como

equivalentes a la semielíptica 2:1. (Fig. 7).

Fig.7.- Tapa 80:10.

TAPAS CÓNICAS:

Se utilizan generalmente en fondos donde pudiese haber acumulación de sólidos y como

transiciones en cambios de diámetro de recipientes cilíndricos.

Su uso es muy común en torres fraccionadoras o de destilación, no hay límites en cuanto a

dimensiones para su fabricación y su única limitación consiste en que el ángulo de vértice no

deberá de ser calculado como tapa plana. (Fig. 8).

Fig.8.- Tapa Cónica.

C. R.

L. T.

D

R

r

d

t

t

D


16

TAPAS TORICÓNICAS:

A diferencia de las tapas cónicas, este tipo de tapas tienen en su diámetro, mayor radio de

transición que no deberá ser menor al 6% del diámetro mayor ó 3 veces el espesor. Tiene las

mismas restricciones que las cónicas a excepción de que en México no se pueden fabricar con

un diámetro mayor de 6 m. (Fig. 9).

Fig.9.- Tapa Toricónica.

TAPAS PLANAS CON CEJA:

Estas tapas se utilizan generalmente para presión atmosférica, su costo es relativamente bajo, y

tienen un límite dimensional de 6 m. de diámetro máximo. (Fig. 10).

Fig.10.- Tapa Plana con Ceja.

C. R.

d

t

D

r

C. R.

D

t

R= 1/41 MIN


17

TAPAS ÚNICAMENTE ABOMBADAS:

Son empleadas en recipientes a presión manométrica relativamente baja, su costo puede

considerarse bajo, sin embargo, si se usan para soportar presiones relativamente altas, será

necesario analizar la concentración de esfuerzos generada, al efectuar un cambio brusco de

dirección. (Fig. 11).

Fig.11.- Tapa Únicamente Abombada.

TAPAS ABOMBADAS CON CEJA INVERTIDA:

Su uso es limitado debido a su difícil fabricación, por lo que su costo es alto, siendo empleadas

solamente en casos especiales. (Fig. 12).

Fig.12.- Tapa Abombada con Ceja Invertida.

D

R

t

C. R.

R

t

D

r


18

1.3.2. BOQUILLAS EN RECIPIENTES A PRESIÓN.

Todos los recipientes a presión deberán estar provistos de boquillas y conexiones de entrada y

salida del producto, válvula de seguridad, entrada de hombre, venteo, etc. A continuación se

enlistan algunas de las boquillas que se deben instalar en los recipientes a presión:

A.- Entrada (s) de producto.

B.- Salida (s) de producto.

C.- Drene.

D.- Venteo.

E.- Entrada (s) de hombre.

F.- Conexión para válvula de seguridad.

G.- Conexión para manómetro.

H.- Conexión para termómetro (termopozo).

I.- Conexiones para indicadores de nivel.

J.- Conexiones para control de nivel.

De acuerdo con el tipo de recipiente a presión que vayamos a diseñar, éste puede tener una o

varias boquillas de las antes mencionadas. Los diagramas de tubería e instrumentación nos

indican cuantas boquillas, de que diámetro y para qué servicio debemos instalar en dichos

recipientes.

En concordancia con el Código A.S.M.E., Sección VIII División 1, todas las boquillas mayores de

3 pulgadas de diámetro, instaladas en recipientes a presión, deberán tener una placa de

refuerzo en la unión del cuello de la boquilla con el recipiente. En México, se ha hecho una

costumbre reforzar también las boquillas de 3 pulgadas, lo cual es aconsejable.

Todas las placas de refuerzo de boquillas de12 pulgadas de diámetro y menores, deberán llevar

un barreno de prueba de1/4” de diámetro con cuerda NPT, las placas de refuerzo de boquillas

de 14” de diámetro y mayores, deberán tener dos barrenos de prueba.

1.3.2.1. ESPESORES DE LOS CUELLOS DE LAS BOQUILLAS.

Los espesores de los cuellos de las boquillas (cédulas) deberán ser determinados en base a:

a).- Presión interna:

Generalmente el espesor del cuello de una boquilla calculado para soportar presión interna,

resulta muy pequeño debido al diámetro tan reducido que ellas tienen en comparación con el

diámetro del recipiente.


19

b).- Tolerancia por corrosión:

La corrosión es uno de los factores decisivos para seleccionar las cédulas de los cuellos de las

boquillas, ya que los espesores de los cuellos de tubos de diámetro pequeño son muy reducidos

y únicamente la corrosión puede acabar con ellos.

c).- Fuerzas y momentos debidos a dilataciones térmicas en tuberías, fuerzas transmitidas por

otros equipos y acciones debidas al peso propio de las tuberías.

Cuando se trabaja con líneas de tuberías relativamente grandes en diámetro y que éstas

manejan fluidos a altas temperaturas, debemos recomendar al departamento de tuberías hacer

un estudio de análisis de esfuerzos en las líneas críticas a fin de minimizar las cargas y los

momentos en las boquillas de los recipientes. Este análisis de esfuerzos incluye la selección y

localización adecuada de soportes para las tuberías.

1.3.2.2. SELECCIÓN DE BRIDAS PARA BOQUILLAS.

Se recomienda que las boquillas de 1 ¼” de diámetro y menores sean instaladas por medio de

coples roscados de 3,000 y 6,000 lb/pulg2. Las boquillas de 1 ½” y mayores deberán ser

bridadas. De acuerdo a la forma de unir las bridas a los cuellos de las boquillas, existen los

siguientes tipos de bridas:

1. Brida de Cuello Soldable. (WeldingNeck).

2. Brida Deslizable. (Slip-On).

3. Brida de Traslape. (lap-Joint).

4. Bridas Roscadas. (Threaded).

5. Bridas de Enchufe Soldable. (Socket Welding).

6. Bridas Ciegas. (Blind).

7. Bridas Especiales.

Fig. 13.- Principales boquillas en los recipientes a presión.

A

D

E

C B


20

1.- BRIDAS DE CUELLO SOLDABLE. (WELDING NECK).

Se distinguen de las demás por su cono largo y por su cambio gradual de espesor en la región

de la soldadura que las une al tubo. El cono largo suministra un refuerzo importante a la brida

desde el punto de vista de resistencia. La ligera transición desde el espesor de la brida hasta el

espesor de la pared del tubo, efectuada por el cono de la brida, es extremadamente benéfico

bajo los efectos de flexión repetida, causada por la expansión de la línea u otras fuerzas

variables y produce una resistencia de duración equivalente a la de una unión soldada entre

tubos.

Por lo anterior, este tipo de brida se prefiere para todas las condiciones severas de trabajo, ya

sea que esto resulte de altas presiones o de temperaturas elevadas o menores de cero, ya sea

también para condiciones de carga que sean sustancialmente constantes o que fluctúen entre

límites amplios. Las bridas de cuello soldable como la de la Fig. 14 se recomiendan para el

manejo de fluidos explosivos, inflamables o costosos, donde una falla puede ser acompañada

de desastrosas consecuencias.

Fig. 14.- Brida de Cuello Soldable.

2.- BRIDAS DESLIZABLES. (SLIP-ON).

Estas bridas se prefieren sobre las de cuello soldable, debido a su costo más bajo, a la menor

precisión requerida al cortar los tubos a la medida, a la mayor facilidad de alineamiento en el

ensamble ya que su costo de instalación final es menor que las bridas de cuello soldable. Su

resistencia calculada bajo presión interna, es del orden de 2/3 de las anteriores y su vida bajo

condiciones de fatiga es aproximadamente 1/3 de las últimas.

Por estas razones, las bridas deslizables (Fig. 15) en presiones de 1,5000 PSI existen solamente

en diámetros de1/2”a 2-1/2”, y no existen en presiones de 2,500 PSI. El manual de

construcción de calderas A.S.M.E, limita su uso a 4” de diámetro.


21

Fig.15.- Brida Deslizable.

3.- BRIDAS DE TRASLAPE (LAP-JOINT).

Generalmente se instalan en tuberías de acero inoxidable o aleaciones especiales. Siempre que

utilicemos este tipo de brida, debemos acompañarla de un extremo adaptador (stub-end).

También usamos este tipo de bridas traslapadas cuando las tuberías no son paralelas a los ejes

de los recipientes. (Fig. 16).

Fig.16.- Brida de Traslape.


22

4.- BRIDAS ROSCADAS (THREADED).

Se usan para unir tuberías difíciles de soldar, como aluminio, PVC, entre otros materiales; se

recomienda usarlas en diámetros menores de6”.Las bridas roscadas son inconvenientes para

condiciones que involucren temperaturas o esfuerzos de flexión de cualquier magnitud,

particularmente bajo condiciones cíclicas donde puede haber fugas a través de las cuerdas en

pocos ciclos de esfuerzos o calentamiento. (Fig. 17).

Fig.17.- Brida Roscada.

5.- BRIDAS DE ENCHUFE SOLDABLE. (SOCKET WELDING).

Cuando se manejan fluidos tóxicos, altamente explosivos, muy corrosivos o aquellos que al

existir fugas provocarían gran riesgo, debemos usar bridas de este tipo. También es

recomendable usarlas en tuberías que trabajan a muy altas presiones. (Fig. 18).

Fig.18.- Brida de Enchufe Soldable.


23

6.- BRIDAS CIEGAS. (BLIND).

Se usan para cerrar los extremos de boquillas, tuberías y válvulas. Desde el punto de vista de

presión interna y fuerzas ejercidas sobre los pernos, estas bridas, principalmente en tamaños

grandes, son las que están sujetas a esfuerzos mayores. Al instalar las bridas ciegas debe

tomarse en consideración la temperatura y el golpe de ariete, si existiera. (Fig. 19).

Fig.19.- Brida Ciega.

7.- BRIDAS ESPECIALES.

Cuando una brida no corresponde a los tipos antes mencionados, le llamamos brida especial. Su

uso es muy común en cambiadores de calor, cuyos diámetros no corresponden generalmente a

los estandarizados de bridas. (Fig. 20).

Fig.20.- Brida Especial.


24

1.5. TORRES EMPACADAS.

Se puede decir que las torres empacadas se utilizan siempre para un contacto continuo líquido-

gas, generalmente a contracorriente la posición de la torre es vertical, la contracorriente es

para ofrecer mayor área de contacto del líquido con el gas, tas torres empacadas se emplean si

se tiene mezcla de dos gases y se ponen en contacto con un líquido que sea miscible solamente

a uno de los gases, una gran cantidad del gas elegido, pero nada del otro se disolverá en el

líquido, resultando una separación completa de un gas respecto a otro, aplicando estas torres

también para la operación contraria a la arriba mencionada.

1.6. SOLDADURA EN RECIPIENTES A PRESIÓN.

El procedimiento más utilizado actualmente en la fabricación de recipientes a presión es el de

soldadura, el cual eliminó el sistema de remachado que se usó hasta hace algunos años.

Todas las soldaduras serán aplicadas mediante el proceso de arco eléctrico sumergido, el cual

puede ser manual o automático. En cualquiera de los dos casos, deberá tener penetración

completa y se deberá eliminar la escoria dejada por un cordón de soldadura, antes de aplicar el

siguiente.

Con el fin de verificar si una soldadura ha sido bien aplicada se utilizan varias formas de

inspección, entre ellas está el de radiografiado, la prueba de líquidos penetrantes y algunas

veces se utiliza el ultrasonido.

La prueba más comúnmente utilizada es el radiografiado, éste puede ser total o por puntos.

Cuando practicamos el radiografiado por puntos en recipientes a presión, debemos tomar por lo

menos, una radiografía por cada 15 metros de soldadura y la longitud de cada radiografía será

de 15 centímetros como mínimo.


25

TABLA 1.- APLICACIÓN Y SÍMBOLOS DE SOLDADURA

1

8 7

6 5

4 3

2

SIMBOLO

REAL

SIMBOLO

REAL

SIMBOLOS

SECCIÓN TRANSEVERSAL

ELEVACIÓN PLANTA

ELEVACIÓN

SIMBOLO REAL

SIMBOLOS

SECCIÓN

TRANSVERSAL

ELEVACIÓN

REAL

SIMBOLOS

SECCIÓN

TRANSVERSAL

ELEVACIÓN

REAL

SIMBOLOS

SECCIÓN

TRANSVERSAL

ELEVACIÓN

REAL

SIMBOLOS

SECCIÓN

TRANSVERSAL

ELEVACIÓN

REAL


26

CONTINUACIÓN

9 10

11 12

13 14

15 16

SIMBOLO

REAL

SIMBOLO

REAL

SIMBOLO

REAL

SIMBOLO

REAL

SIMBOLO

SIMBOLO REAL REAL

SIMBOLO

SIMBOLO

REAL

REAL


27

CONTINUACIÓN

17 18

19 20

21 22

23 24

SIMBOLO

REAL

SIMBOLO

REAL

SIMBOLO

SIMBOLO

REAL REAL

SIMBOLO SIMBOLO

REAL REAL

SIMBOLO

SIMBOLO

REAL REAL


28

CONTINUACIÓN

25 26

27 28

29 30

31 32

SIMBOLO SIMBOLO

REAL REAL

SIMBOLO

SIMBOLO

REAL REAL

SIMBOLO

REAL

SIMBOLO

REAL

SIMBOLO

REAL SIMBOLO REAL


29

CONTINUACIÓN

33 34

35 36

37 38

39

SIMBOLO SIMBOLO

REAL REAL

SIMBOLO SIMBOLO

REAL REAL

REAL

SIMBOLO SIMBOLO

REAL

SIMBOLO

REAL


30

Antes de aplicar cualquier soldadura, en recipientes a presión, debemos preparar un

procedimiento de Soldadura para cada caso en particular, el cual nos indica la preparación,

diámetro del electrodo, etc., para cada tipo y espesor de material. Debemos también hacer

pruebas a los soldadores para asegurarnos que la soldadura será aplicada por personal

debidamente calificado. Estas pruebas y procedimientos deberán apegarse estrictamente a las

recomendaciones hechas por el Código A.S.M.E., Sección IX "Welding and Brazing

Qualifications."

El material de aporte, de la soldadura, deberá ser compatible con el material base a soldar. Los

electrodos más comúnmente utilizados para soldar recipientes a presión de acero al carbón, son

el 6010 y el 7018.

Cuando aplicamos soldadura en recipientes a presión de acero inoxidable, es necesario utilizar

gas inerte y se recomienda inhibir las soldaduras con una solución a base de ácido nítrico y

ácido clorhídrico.

Debemos tratar de evitar los cruces de dos o más cordones de soldadura. La distancia mínima

entre dos cordones paralelos será de 5 veces el espesor de la placa, sin embargo, cuando sea

inevitable el cruce de dos cordones, el Código A.S.M.E., Sección VIII División 1, nos recomienda

radiografiar una distancia mínima de 102 milímetros a cada lado de la intersección. Se

recomienda no aplicar soldadura a un recipiente a presión después de haber sido relevado de

esfuerzos.


31

CAPÍTULO 2.- NORMATIVIDAD.

En este capítulo se trataran los temas correspondientes a las normas bajo las cuales se

rigen el diseño de los recipientes sometidos a presión, es decir, los códigos y

estándares que se consideran en el diseño de nuestro equipo, el tipo de norma y las

secciones correspondientes, haciendo una breve descripción de cada una.


32

2.1. GENERALIDADES SOBRE EL CÓDIGO ASME.

El código para calderas y recipientes a presión de la Sociedad Americana de Ingenieros

Mecánicos (ASME), se originó por la necesidad de proteger a la sociedad de las continuas

explosiones de calderas (Fig. 21) que sucedían en el siglo XIX antes de reglamentar para su

diseño y construcción. El código ASME es una norma nacional en Estados Unidos, pero la mayor

parte de los estados de la unión americana y todas las provincias canadienses han promulgado

legislaciones que convierten al código ASME o algunas de sus partes en requisitos legales. Sólo

unas cuantas jurisdicciones han adoptado el código para todos los recipientes.

Fig. 21- Fábrica de zapatos antes y después de la explosión de una caldera.

Las otras se aplican a ciertos tipos de recipientes o calderas. Los estados emplean inspectores

(por lo común bajo las ordenes de un jefe de inspectores) para aplicar las disposiciones del

código.

El código ASME lo redacta un gran comité y muchos subcomités que se componen de

ingenieros designados por la ASME. Las decisiones del comité se publican en la obra Mechanical

Engineering. Un caso usual de código puede ser el de la aprobación del empleo de un metal

que no se encuentre en la actualidad en la lista de materiales aprobados. Las encuestas

relativas a los casos del código se deben dirigir a la Secretaría del ASME Boiler and Pressure

Vessel Commitee, American Society of Mechanical Engineers, New York.

Se publica una nueva edición del código cada tres años. Entre ediciones, las modificaciones se

manejan mediante la publicación de adiciones semestrales que se pueden admitir por

subscripción. La ASME considera que cualquier publicación del código es adecuada y segura

pero algunas autoridades del gobierno especifican ciertas publicaciones del código como sus

propios requisitos legales.

El ASME Boiler and Pressure Vessel Code está integrado por once secciones, las cuales son las

siguientes:


33

I. Calderas de potencia. En esta sección se muestran los requerimientos para todos los

métodos de construcción de calderas de potencia, eléctricas y pequeñas.

II. Especificaciones de materiales.

A. Materiales ferrosos. Provee especificaciones de materiales ferrosos adecuadas para

la seguridad de los equipos.

B. Materiales no ferrosos. Provee especificaciones de materiales no ferrosos adecuadas

para la seguridad de los equipos.

C. Soldadura, electrodos, varillas. Provee especificaciones de materiales para la

manufactura, aceptabilidad, composición química, uso mecánico, entre otras.

D. Propiedades. Provee tablas de diseño con valores de esfuerzo (tensión y último), así

como tablas y diagramas de propiedades de los distintos materiales.

III. Componentes de plantas de energía nuclear. Esta sección provee requerimientos de

materiales, diseño, fabricación, inspección, pruebas, instalación, certificación,

protección por sobrepresión de los diferentes componentes de una planta nuclear, etc.

IV. Calderas de calefacción. Esta sección nos muestra los distintos requerimientos para el

diseño, fabricación, instalación e inspección de calderas de calefacción las cuales

utilizan como combustible petróleo, gas, electricidad o carbón.

V. Exámenes no destructivos. Esta sección contiene los requerimientos y métodos para

realizar pruebas no destructivas las cuales son referenciadas y requeridas por otras

secciones.

VI. Reglas recomendadas para el cuidado y funcionamiento de calderas de calefacción. Se

cubren las descripciones generales, terminología y operación aplicables a calderas

fabricadas con hierro fundido y acero cuyos rangos de operación están limitados de

acuerdo a la sección IV.

VII. Reglas recomendadas para el cuidado de calderas de potencia. El propósito de esta

sección es promover la seguridad en el uso de calderas de potencia estacionarias,

portátiles, entre otras.

VIII. Recipientes a presión. Esta sección provee los requerimientos para el diseño,

fabricación, inspección, pruebas y certificación de recipientes a presión cuya presión

interna o externa superan los 15 psi. Sus divisiones son las siguientes:

División 1.

División 2. Reglas alternativas.

División 3. Reglas alternativas para construcción de recipientes de alta presión.

IX. Condiciones de soldadura. Contiene las reglas relacionadas con los distintos métodos de

soldadura los cuales son requeridos por otras secciones.

X. Recipientes a presión de plástico reforzados con fibra de vidrio. Esta sección nos

muestra los diferentes requerimientos para el diseño, procesamiento, fabricación,

inspección y métodos de prueba requeridos para este tipo de recipientes a presión.


34

XI. Reglas para la inspección y el servicio de componentes de plantas nucleoeléctricas. Nos

muestra las normas para la inspección y examinación, así como las normas para la

reparación y mantenimiento de los diferentes componentes de las plantas

nucleoeléctricas.

Los recipientes a presión (para distinguirlos de las calderas) se incluyen en las secciones II, III,

V, VIII, IX, X y XI. La sección VIII División 1, es el código de recipientes a presión tal y como

existía en el pasado (y seguirá siendo válido). La División 2, se estableció como medio de

permitir esfuerzos más elevados de diseño, asegurando al menos un grado igualmente elevado

de seguridad que en la División 1.

2.1.1. CÓDIGO ASME, SECCIÓN VIII, DIVISIÓN 1.

La mayor parte de los recipientes a presión que se utilizan en la industria de procesos, se

construyen y diseñan de acuerdo con la sección VIII, División 1. Esta División abarca tres

subsecciones, y tiene varios apéndices.

INTRODUCCIÓN.

La introducción contiene el alcance de la división y define las responsabilidades del usuario, el

fabricante y el inspector.

En esta parte se definen los recipientes a presión como envases para la contención de la

presión. La Fig. 22 muestra uno de los cuadros de referencia que se pueden encontrar en el

código ASME. Se excluye en forma específica los recipientes que tienen una presión interna que

no supera el valor de 103 kPa (15 lbf/plg2) y establece que las reglas se aplican para presiones

que no sean superiores al valor de 20,670 kPa (3000 lbf/plg2). Para mayores presiones es

necesario apartarse de las reglas de esta sección.

En el alcance se cubren muchas otras exclusiones menos básicas y puesto que el alcance es

revisado periódicamente, excepto para los casos muy obvios, es conveniente revisar las

disposiciones en vigor antes de especificar o diseñar recipientes a presión. Cualquier recipiente

que cumpla con los requisitos de esta división puede ser sellado con el símbolo U del código,

aunque se piense que está exento de dicho sellado.


35

Fig. 22.- Cuadro de referencias de la Sección VIII donde se muestran los típicos lugares soldados de las

categorías A, B, C y D.

2.1.1.1. Subsección A.

Esta subsección contiene los requisitos generales aplicables a todos los materiales y métodos de

construcción. Aquí se definen la temperatura y presión de diseño y se especifican las cargas

consideradas en el diseño mismo. Para la falla por esfuerzo y elasticidad, esta sección del

código aplica la teoría del esfuerzo máximo de falla como el criterio para esta determinación.

Esta subsección se refiere a las tablas de la división donde son tabulados los valores de

esfuerzos de tensión máximos permisibles. Además se hace hincapié en el factor de seguridad

al establecer las diversas reglas de esta división, se muestra que los factores de seguridad para

cargas de presión interna son cuatro para la fatiga de ruptura y 1.6 o 1.5 para el límite elástico,

dependiendo del material. Para las cargas de presión externa en cuerpos cilíndricos, se emplean

factores de seguridad de tres para el pandeo elástico y el colapso plástico. Para otras formas

sujetas a presión externa y con presión longitudinal del cuerpo, los factores de seguridad son

para el pandeo elástico y el colapso plástico. Los factores de compresión longitudinales en los

elementos cilíndricos están limitados en esta subsección por el valor de falla por esfuerzo o de

falla por encogimiento, el que sea menor.

Así mismo se facilitan reglas y fórmulas de diseño de presión internas para cuerpos esféricos y

cilíndricos y para tapas elipsoidales, toriesféricas, hemisféricas y cónicas. Las fórmulas

proporcionadas suponen una falla por esfuerzo de la membrana, aunque las reglas para las

tapas incluyen la consideración de la falla por pandeo (encorvamiento) en el área de transición

del cilindro o la tapa (área de coyuntura).

Las juntas longitudinales en los cilindros están sometidas a un esfuerzo mayor que las juntas

circunferenciales. Cuando se está trabajando en la formación de tapas, existe en general un


36

adelgazamiento del espesor de la placa original en el área de coyuntura y es prudente

especificar el espesor mínimo permisible en este punto.

Las tapas y cubiertas planas no reforzadas pueden ser diseñadas según las reglas y fórmulas

específicas que aparecen en esta subsección. Los esfuerzos causados por la presión sobre estos

miembros son esfuerzos de doblado y las fórmulas incluyen una tolerancia para los momentos

inducidos cuando las tapas, cubiertas o bridas ciegas son sujetas por pernos. Se proporcionan

reglas para cerraduras de acción rápida, a consecuencia de riesgo de que exista una unión

incompleta o apertura cuando se tiene un recipiente presurizado. Incluso se proporcionan

reglas para superficies reforzadas.

La falla por presión externa de los cuerpos puede resultar como consecuencia de

sobreesfuerzos en un extremo o por la existencia de inestabilidad elástica en el otro extremo o

en alguna carga intermedia. El Código proporciona la solución para la mayor parte de los

cuerpos, utilizando gráficas de la relación de espesor a diámetro del cuerpo y la relación de

longitud a diámetro, donde ambas son variables.

Las demás graficas representan curvas relativas a la geometría de los cilindros y esferas para

esfuerzos permisibles por curvas que son determinadas a partir del módulo de elasticidad,

modulo tangente y limite elástico a temperaturas para varios materiales o clases de los mismos.

Es viable obtener ahorros en costos para cuerpos cilíndricos al reducir la relación eficaz longitud

a diámetro, reduciendo con esto el espesor del cuerpo. Esto puede complementarse

adicionando refuerzos circunferenciales al cuerpo. En esta parte se incluyen las reglas para

diseñar y localizar los refuerzos.

Es necesario siempre tener bocas o aberturas en los cuerpos y tapas de los recipientes a

presión debido a que la intensificación de esfuerzos es creada por la existencia de un orificio en

una sección de forma simétrica. La subsección A proporciona también una compensación para

esto por un método de área-sustitución. Considera una sección transversal a través de la

abertura y mide el área del metal del cuerpo que necesite eliminarse y lo sustituye en la sección

transversal por material adicional (pared del cuerpo, pared de boquilla, placa de refuerzo o

soldadura) dentro de ciertas distancias de la línea central de la apertura.

Cuando un cuerpo cilíndrico es perforado para la inserción de tubos múltiples, el cuerpo se

debilita en forma muy sensible, por lo que el Código establece reglas para considerar la relación

tubo-orificio y la reducción en esfuerzo que debe ajustarse. Además se consideran las

tolerancias de fabricación.


37

Las tolerancias permitidas para la presión externa en los cuerpos son más estrechas que las de

la presión interna, ya que la estabilidad de la estructura depende de la simetría. En otros

párrafos de esta subsección se consideran las reparaciones de los defectos durante la

fabricación, identificación del material, tratamiento térmico y pruebas de impacto.

Se incluyen detalladamente los requisitos para prueba e inspección. La mayor parte de los

recipientes requieren una prueba hidrostática a un valor que sea 1.5 veces el valor de la presión

de trabajo máxima permisible. En algunos recipientes esmaltados (recubiertos de vidrio) se

permite que el valor de la presión hidrostática sea menor. Se permiten las pruebas neumáticas

y se llevan a cabo a un valor al menos 1/4 veces el de la presión de trabajo máxima permisible,

y se somete a una prueba de ensayo cuando el esfuerzo de cualquiera de las partes del

recipiente no puede calcularse para que se pueda asegurar una exactitud en dichos cálculos.

Cabe mencionar que raramente se efectúan pruebas neumáticas o de ensayo.

En la subsección A se definen los requisitos de los dispositivos de alivio de presión. Se definen

un punto fijo y una presión máxima durante el alivio, de acuerdo con el servicio del recipiente,

la causa de la sobrepresión y la cantidad de dispositivos de alivio. Se proporcionan reglas para

tolerancias en puntos de alivio, respecto a seguridad, alivio de seguridad, válvulas de alivio,

discos de ruptura y espigas rompedoras. Y finalmente se incluyen las reglas para prueba,

certificación e instalación de dispositivos de alivio.

Los párrafos para dispositivos de alivio de presión son las únicas partes de la sección VIII,

División I, concernientes a la instalación y la operación de las instalaciones, y las demás reglas

se aplican solo al diseño y manufactura del recipiente.

2.1.1.2. Subsección B.

Esta subsección contiene reglas concernientes a los métodos de fabricación de recipientes a

presión. La parte UW es aplicable a recipientes soldados. Se definen las restricciones de

servicio.

El servicio letal es para "sustancias letales", definidas como gases o líquidos venenosos, de

naturaleza tal que una pequeña cantidad del gas o vapor del líquido, mezclado o no con aire, es

peligroso para la vida cuando se inhala. Se especifica que es responsabilidad del usuario

advertir al diseñador o fabricante del uso de sustancias letales; todos los recipientes para

servicio letal tendrán juntas soldadas a tope completamente radiografiadas y, cuando sea

práctico, las juntas serán soldadas a tope. Todos los recipientes fabricados con acero al carbono

o acero de baja aleación serán sometidos a tratamiento térmico después de soldados.


38

El servicio a baja temperatura se define como aquel donde la temperatura será menor de -29°C

(-20°F) y es necesario someter varios metales a una prueba de impacto. El código es restrictivo

respecto al tipo de soldadura permitida.

Los recipientes a presión que están sujetos a fuego directo tendrán requisitos especiales en

relación con el diseño de las juntas soldadas y el tratamiento térmico posterior a la aplicación

de la soldadura.

Ésta Subsección incluye reglas que rigen el diseño de juntas soldadas y el grado de radiografía,

con eficiencias para las juntas soldadas especificadas tomo función de la calidad de la junta o

unión. Estas eficiencias son empleadas en las fórmulas de la subsección A para determinar el

espesor de los recipientes.

Se proporcionan detalles para la soldadura tapa a cuerpo, hoja metálica a cuerpo y boquilla

(tobera) a cuerpo. Aquí se proporcionan formas aceptables de pernos y tapones soldados y

soldaduras acanaladas para el soporte de placas reforzadas.

Las reglas para la fabricación de recipientes a presión soldados cubren los procesos de

soldadura, registro histórico del fabricante sobre los procedimientos de soldadura, calificación

de los soldadores, limpieza, tolerancias para el ajuste y reparación de defectos de soldadura.

Además se detallan los procedimientos para el tratamiento técnico posterior al soldado.

También se incluye la verificación de los procedimientos de soldadura y de soldadores y el

examen radiográfico y ultrasónico de las juntas soldadas.

Los requisitos para fabricación de recipientes con material forjado en la parte UF incluyen los

requisitos únicos de diseño, particularmente en lo referente a aumento de esfuerzos,

fabricación, tratamiento térmico, reparación de defectos e inspección. Los recipientes fabricados

por soldadura con latón son comprendidos en la parte UB.

2.1.1.3. Subsección C.

Esta subsección contiene requisitos concernientes a las clases de materiales. Los aceros al

carbono y de baja aleación se rigen por la parte UCS, los materiales no ferrosos por la parte

UNF, los de acero de alta aleación por la parte UHA y los aceros con propiedades de tensión

mejoradas por tratamiento térmico, por la parte UHT. Cada una de estas partes incluye tablas

de valores de esfuerzos máximos permisibles para todos los materiales del código en un

intervalo de temperaturas de metal. Estos valores de esfuerzos incluyen factores apropiados de


39

seguridad. Las reglas que rigen la aplicación, fabricación y tratamiento térmico de los

recipientes se incluyen en cada parte.

La parte UHT contiene también detalles muy estrictos para el soldado de boquillas que se

requieren para algunos de estos materiales de alta tensión. La parte UCI incluye reglas para la

construcción de recipientes de hierro colado. La parte UCL comprende reglas para recipientes

soldados de placas revestidas, como recipientes con recubrimiento, y la parte UCD tiene reglas

para recipientes a presión de hierro dúctil.

Recientemente se anexó al Código la parte ULW, que contiene los requisitos de recipientes

fabricados por construcción con varias capas. Este tipo de construcción es utilizado con

frecuencia para presiones altas, superiores por lo general a 13 800 kPa (2000 lbf/plg²).

Existen varios métodos para la construcción por capas: 1) capas delgadas que se contraen

juntas; 2) capas delgadas, montada cada una sobre la otra y con la costura soldada

longitudinalmente, utilizando la capa anterior como apoyo; y 3) capas delgadas montadas en

espiral. Las reglas del código son para capas delgadas o gruesas. Se proporcionan reglas y

detalles para todas las juntas soldadas más comunes refuerzos de boquillas (toberas). Los

soportes para los recipientes por capas requieren una consideración especial respecto al hecho

de que solo la capa exterior puede contribuir al soporte. Para el empleo de fluidos letales, sólo

las capas interiores de cuerpo y tapa necesitan cumplir los requisitos de la subsección B.

2.1.1.4. Apéndices Obligatorios.

Incluyen una sección de fórmulas de diseño complementarias para cuerpos no incluidas en la

subsección A. Se proporcionan fórmulas para cuerpos gruesos y cubiertas cóncavas. Otro

apéndice proporciona reglas específicas, fórmulas y gráficas para el diseño de conexiones de

bridas con pernos. Otro apéndice incluye solo las gráficas que se utiliza en el cálculo de cuerpos

para las presiones externas que se analizan antes. Los recipientes enchaquetados se tratan en

un apéndice separado, que comprende reglas específicas, sobre todo para la unión de la

chaqueta a la capa interna. Finalmente otro apéndice se refiere al control de calidad y a la

inspección.

2.1.2. Código ASME, Sección VIII, División 2.

El párrafo A-100 de la División 2, establece: “En relación con las reglas de la División 1, Sección

VIII, estas reglas de la División 2 son más restrictivas en lo que se refiere a la selección de

materiales que pueden ser utilizados, aunque permiten valores más altos de intensidad de


40

esfuerzos de diseño, para aplicarse en el intervalo de temperaturas en el cual el valor de

intensidad de esfuerzo de diseño se controla por el esfuerzo último o al límite elástico; se

requieren procedimientos de diseño más precisos y se prohíben algunos detalles comunes de

diseño; los procedimientos permisibles de fabricación son delineados en forma clara y se

requiere una inspección y una prueba más completas”. La mayor parte de los recipientes de la

División 2 fabricados hasta ahora, han sido de dimensiones mayores o están destinados para

altas presiones, además de ser muy caros cuando el ahorro en material y trabajo, a

consecuencia del empleo de factores de seguridad menores, ha sido mayores que los costos

adicionales de ingeniería, administración e inspección.

La estructura de la División 2 difiere de la División 1.

2.1.2.1. Parte A.

En esta parte se proporciona el alcance de la división y se establecen su jurisdicción y las

responsabilidades del usuario y el fabricante. Es de particular importancia el hecho de no

especificarse un límite superior de presión y que, a cambio de eso, se requiere contar con las

especificaciones del usuario. El usuario o su representante deben proporcionar los requisitos

que debe cumplir el recipiente de acuerdo con las condiciones de operación a que será

destinado, en una forma muy detallada para que sirvan como base a la adecuada selección de

materiales y diseño, fabricación e inspección del recipiente. En las especificaciones del usuario

debe incluirse el método de soporte del recipiente y cualquier requisito para el análisis de

fatiga.

2.1.2.2. Parte AM.

Aquí se listan los materiales individuales de construcción permitidos, especificaciones aplicables,

requisitos especiales, valores de intensidad de esfuerzo de diseño y cualquier otra información

especial. Son de importancia especial los requisitos de prueba ultrasónica y dureza. Los valores

de intensidad de esfuerzo de diseño incluyen el factor de seguridad de 3 para el esfuerzo último

(punto de cedencia) a determinada temperatura, o 1.5 para el límite elástico a esa temperatura.

2.1.2.3. Parte AD.

En esta parte se incluyen los requisitos para el diseño de recipientes. Las reglas de la División 2

se basan en los valores de falla o elasticidad de la teoría del máximo cortante. Se permiten


41

esfuerzos mayores cuando se considera el efecto del viento o los terremotos. En esta parte se

proporcionan todas las reglas para determinar la necesidad de un análisis de fatiga.

Las reglas para el diseño de cuerpos de revolución bajo presión interna difieren de de las

establecidas en la División I, especialmente en las que se refieren a la formación de tapas

cuando la deformación plástica en el área de coyuntura (chamela) es el criterio principal. Los

cuerpos de revolución para presión externa se determinan con el mismo criterio, incluyendo

factores de seguridad, como en la División 1. El refuerzo para las aberturas o bocas utiliza el

mismo método de sustitución de área visto en la División 1; no obstante, en muchos casos el

metal del refuerzo debe estar más cerca de la línea central de la abertura.

Las demás reglas de la parte AD para tapas planas, conexiones con tomillos y pernos

prisioneros, cerraduras de acción rápida y recipientes por capas, son esencialmente una copia

de las que aparecen en la División 1. Cabe mencionar que las reglas para los soportes de

contorno son más definidas en la División 2.

2.1.2.4. Parte AF.

Contiene los requisitos para la fabricación de recipientes y partes de recipientes.

2.1.2.5. Parte AR.

Contiene las reglas para los dispositivos de alivio de presión.

2.1.2.6. Parte AL.

Aquí se consideran los requisitos para la inspección de recipientes.

2.1.2.7. Parte AT.

Se refiere a los requisitos y procedimientos de pruebas.

2.1.2.8. Parte AS.

Comprende los requisitos para el sellado y certificación de recipientes y partes de recipientes.


42

2.1.2.9. Apéndices.

El apéndice 1 define las bases utilizadas para definir los valores de intensidad de esfuerzo. El

apéndice 2 contiene gráficas de presión externa y el apéndice 3 comprende las reglas para

conexiones bridadas con pernos; estas son copias exactas de los apéndices equivalentes

aparecidos en la División 1.

El apéndice 4 proporciona definiciones y reglas para el análisis de esfuerzos para cuerpos, tapas

planas y formadas, láminas, recipientes por capas y boquillas, incluyendo la discontinuidad de

esfuerzos. La tabla 4-120.1 "Lussification of Stresses for Some Typical Cases", ''Stress

Categories and Limits of Stress Intensity" son particularmente importantes, ya que sirven para

aclarar varios párrafos y simplifica el análisis de esfuerzos.

El apéndice 5 contiene reglas y datos para el análisis de esfuerzos para operaciones cíclicas.

Excepto en casos de ciclos cortos de procesos por cargas (batch), los recipientes a presión se

encuentran sujetos por lo general a pocos ciclos durante su vida útil proyectada, y los datos de

límite de resistencia utilizados en las industrias mecánicas no son muy aplicables. Las curvas se

proporcionan para un espectro muy amplio de materiales y cubren el intervalo de 10 a un

millón de ciclos con valores de esfuerzo permisible hasta 650 000 lbf/plg². Este ciclo bajo de

fatiga se ha desarrollado a partir de análisis de deformación por fatiga en los que se obtienen

valores de esfuerzos, multiplicando la deformación por el módulo de elasticidad. Los esfuerzos

de esta magnitud no pueden ocurrir, pero las deformaciones sí. Las curvas proporcionadas

tienen un factor de seguridad de 2 para el esfuerzo o 20 para los ciclos.

El apéndice 6 contiene los requisitos de análisis de esfuerzos experimentales; el apéndice 8

comprende normas de aceptación para exámenes radiográficos; el apéndice 9 se encarga de los

exámenes no destructivos; el apéndice 10 proporciona reglas para las conversiones de

capacidad de válvulas de seguridad; y el apéndice 18 detalla estos requisitos del sistema de

control de calidad.

2.2. CONSIDERACIONES DEL CÓDIGO ASME.

Código ASME, Sección III: Componentes de plantas de energía nuclear. Esta sección del Código

incluye recipientes, tanques de almacenamiento y recipientes envueltos en concreto, además de

otros artículos.


43

Código ASME, Sección X: Recipientes a presión de plástico reforzados con fibra de vidrio. Esta

sección está limitada a cuatro tipos de recipientes: moldeo en bolsas y vaciado centrifugo,

limitados a 1000 kPa (150 lbf/in²); devanado de filamentos con filamentos cortados limitados a

10 000 kPa (1500 lbf/in²), y con filamentos no cortados limitados a 21 000 kPa (3000 lbf/in²).

Las temperaturas de operación se limitan al intervalo de +66°C (150°F) a -54°C (-65°F). Los

módulos de elasticidad más bajos y otras propiedades puntualizan la diferencia que existe entre

los metales y los plásticos, por lo que se requiere que los procedimientos de la sección X sean

diferentes de los correspondientes a recipientes metálicos. El requisito de que al menos un

recipiente de diseño y fabricación particular será probado hasta su destrucción, ha impedido

que esta sección sea muy utilizada. Los resultados combinados de las pruebas de fatiga y

estallamiento deben dar al valor de la presión de diseño un factor de seguridad de 6 para la

presión de estallamiento.

2.2.1. LA SEGURIDAD EN EL DISEÑO.

En la mayor parte de las circunstancias, el diseño de un recipiente a presión según el Código

proporciona una seguridad adecuada. No obstante, según las mismas palabras del Código, las

reglas “cubren los requisitos mínimos de construcción para el diseño, la fabricación, la

inspección y la certificación de recipientes de presión”. La responsabilidad final por la seguridad

recae en el usuario y el diseñador. Deben decidir si se necesita algo que vaya más allá que los

requisitos del Código. Este último no puede prever y cubrir todas las condiciones

desacostumbradas a las que se puede ver sometido un recipiente a presión.

Algunas de las condiciones a las que se puede enfrentar un recipiente son las siguientes:

temperaturas anormalmente bajas, esfuerzos térmicos especiales, vibración de los recipientes

altos excitados por vértices de Von Kármán provocados por el viento, presiones muy elevadas,

reacciones químicas desencadenadas, recalentamientos locales repetidos, explosiones,

exposición al fuego, exposición a materiales que atacan con rapidez al metal, contenido de

materiales extremadamente tóxicos y tamaños muy grandes de recipientes. Los recipientes

grandes, aunque pueden contener materiales no peligrosos, podrían, por su tamaño mismo,

crear un peligro grave si se rompieran. La fatiga del metal, cuando se presenta, constituye un

riesgo grave.

La Sección VIII, División I, menciona presiones de fluctuación rápida. La División 2 y la Sección

III requieren un análisis de fatiga. En los casos extremos, el contenido del recipiente puede

afectar a la resistencia a la fatiga (límite de resistencia) del material. Se trata de la fatiga de

corrosión. Aun cuando la mayor parte de los materiales del Código ASME no son

particularmente sensibles a la fatiga por corrosión, pueden sufrir una pérdida de límite de

resistencia de 50% en algunos ambientes. Por otra parte, los aceros de tratamiento térmico y


44

alta resistencia son muy sensibles a la fatiga por corrosión. No es raro encontrar algunos de

ellos con una pérdida de 75% de su resistencia en ambientes corrosivos. De hecho, en la fatiga

por corrosión, muchos aceros no tienen límites de resistencia. La curva de esfuerzo en función

de los ciclos de fallas (curva S-N) continúa descendiendo, sea cual sea un número de ciclos.

La fractura por fragilidad es probablemente el tipo más traicionero de falla en un recipiente a

presión. Sin esa fractura, se podrían someter los recipientes a una presión de aproximadamente

su resistencia filial antes de las fallas. Para reducir las posibilidades de conducta de fragilidad, la

División 2 y la Sección III requieren pruebas de impacto el tema de las fracturas por fragilidad

solo se comprendió aproximadamente en 1950 y los conocimientos sobre algunos de sus

aspectos resultan todavía inadecuados. Una placa agrietada o con muescas, de acero, de un

recipiente a presión, sometida a un esfuerzos a 66°C (150°F) se alargara y absorberá una

energía considerable antes de romperse. Tendrá una fractura plástica o dúctil. Al bajar la

temperatura, se llega a un punto en el que la placa fallará mediante un resquebrajamiento con

una superficie de fractura limpia y casi sin elongación. La transición de la fractura dúctil a la

quebradiza tiene lugar en realidad sobre un intervalo de temperatura, pero se escoge un punto

en ese intervalo como temperatura de transición.

Uno de los medios para determinar esta temperatura es la prueba de impacto de Charpy (véase

la especificación E-23 de la ASTM). Después de determinar la temperatura de transición

mediante pruebas de impacto en laboratorio, se debe correlacionar con las experiencias de

servicio en placas de tamaño completo.

Un método más preciso y elaborado para ocuparse de la transición de las fracturas dúctiles a

las quebradizas es el diagrama de análisis de fracturas. Emplea una transición que se conoce

como temperatura de ductilidad nula (NDT) que se determina por la prueba de pérdida de

pesos (norma E208 de la ASTM) o la prueba de desgarramiento de pérdida de pesos (norma

E436 de la ASTM).

La Sección VIII, División I, es flexible en lo que se refiere a la fractura por fragilidad. Permite la

utilización de muchos aceros hasta -29°C (-20°F) sin verificar la dureza. Las fallas quebradizas

ocasionales demuestran que algunos recipientes funcionan por debajo de la temperatura de

ductilidad nula, o sea, el límite inferior de la ductilidad.

La División 2 resolvió este problema exigiendo prueba de impacto en ciertos casos. Existen

grades más resistentes de acero, como los aceros SA516 (de preferencia al acero SA515), con

un ligero aumento de precio. El alivio de esfuerzos, los aceros hechos según prácticas de grano

fino y la normalización, reducen los riesgos de fracturas por fragilidad.


45

Las pruebas no destructivas tanto de las placas como de los recipientes acabados son

importantes para la seguridad. En el análisis de fractura, es importante conocer el tamaño de

las fallas que se pueden presentar en el recipiente completo. Los cuatro métodos más utilizados

de examen son el radiográfico, el de partículas magnéticas, de penetración de líquido y el

ultrasonido.

El examen radiográfico se hace mediante rayos X o gamma (Fig. 23). El primero tiene mayor

poder de penetración, pero el equipo de los últimos es más portátil. Pocas máquinas de rayos X

pueden penetrar más allá de un espesor de 300 mm (12 plg).

Fig. 23.- Inspección de soldadura por rayos X y por rayos gamma.

Las técnicas de ultrasonido como la mostrada en la Fig. 24utilizan vibraciones con una

frecuencia de entre 0.5 y 20 MHz transmitidas al metal por medio de un transductor. El

instrumento envía una serie de pulsaciones, que aparecen en una pantalla de rayos catódicos al

salir y, nuevamente, cuando regresan después de reflejarse en la pared opuesta del miembro.

Si hay alguna grieta o alguna inclusión en la trayectoria, reflejara parte del haz.

Electrones

Soporte de película

Filamento Tubo de

rayos X

Cátodo (-) Ánodo (+)

Diafragma

Rayos x

Placa soldada

Defecto

perpendicular

Defecto paralelo

Electrones

Cápsula de

isótopos

Rayos Gamma

Placa soldada

Defecto paralelo Soporte de película

Defecto

perpendicular


46

Fig. 24.- Inspección de soldadura por ultrasonido.

El examen de partículas magnéticas se utiliza solo en los materiales magnéticos mostrado en la

Fig. 25. Se hace pasar un flujo magnético por la pieza en una trayectoria paralela a la

superficie. Las partículas magnéticas finas, cuando se espolvorean sobre la superficie, se

concentran cerca de los bordes de una grieta. La sensibilidad del examen de partículas

magnéticas es proporcional al seno del ángulo entre la dirección del flujo magnético y la

dirección de agrietamiento. Para asegurarse de captar todas las grietas, es necesario sondear la

zona en dos direcciones.

Fig. 25.- Inspección magnética circunferencial y longitudinal.

El examen de penetración de líquido implica mojar la superficie con un fluido que penetre en las

grietas abiertas. Después de enjugar el líquido en exceso, se recubre la superficie con un

material que revela la presencia de cualquier cantidad de líquido que hay a penetrado en las

Cristal de

cuarzo

Cable

coaxial

Soldadura

Ondas

sonoras

Ondas reflejadas

de otro lado de la

placa

Pulso inicial Eco del defecto

Dirección de las

líneas de fuerza

magnéticas

Dirección de la

corriente eléctrica

Grietas

longitudinales

Corriente

de entrada

Grietas a 45°

Grietas

transversales Corriente

de eléctrica

de salida

Grietas a 45°

Grietas longitudinales

Dirección de las

líneas de fuerza

magnéticas

Corriente eléctrica

Trayectoria de escaneado


47

grietas. En algunos sistemas, un tinte de color saldrá de las grietas y manchara un lienzo

blanco. Otro sistema utiliza un líquido penetrante que se hace fluorescente bajo la luz

ultravioleta.

Cada uno de esos cuatro métodos tiene sus ventajas. Con frecuencia se obtienen mejores

resultados utilizando más de un método. Las partículas magnéticas o la penetración de líquidos

son eficientes en las grietas superficiales. Para las fallas sub-superficiales se necesitan los

métodos ultrasónicos y de radiografía. Ningún método conocido de pruebas no destructivas

puede garantizar la ausencia de fallas.

En cierto sentido, la prueba hidrostática es un método de examen de un recipiente. Puede

revelar las fallas brutas, el diseño inadecuado y las fugas en las bridas. Muchas personas creen

que una prueba hidrostática garantiza la seguridad de un recipiente. No es así necesariamente.

Un recipiente que ha pasado una prueba hidrostática es quizá más seguro que otro no probado.

Sin embargo, todavía puede fallar en servicio incluso a la siguiente aplicación de presión.

El código ASME recomienda pruebas hidrostáticas a una temperatura que esta por lo común por

encima de la temperatura de ductilidad nula del material. En efecto, este es un tratamiento de

presión y temperatura del recipiente. Cuando se prueba en la condición relativamente dúctil,

por encima de la temperatura de ductilidad nula, el material cederá en los extremos de las

grietas y las fallas y en los puntos de esfuerzo residual elevado de soldadura. En realidad, este

procedimiento reducirá los esfuerzos residuales y provocara una redistribución en los extremos

de las grietas. Entonces, el recipiente estará en condiciones más seguras para el

funcionamiento subsiguiente. Este procedimiento se denomina a veces nulificación de muescas.

2.2.2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE RECIPIENTES.

El código ASME lista una serie de cargas que deben ser consideradas en el diseño de

recipientes a presión. Entre estas se encuentran las de impacto, el peso del recipiente en

condiciones de operación y prueba, cargas superpuestas de otros equipos y tuberías, cargas a

consecuencia de los vientos y terremotos, esfuerzos por gradiente de temperaturas y cargas

localizadas de soportes internos y externos. En general, el Código no proporciona valores para

estas cargas o métodos para determinarlas y no proporciona fórmulas para determinar los

esfuerzos de estas cargas. Los ingenieros deben tener un amplio conocimiento en mecánica y

resistencia de materiales, a fin de resolver estos problemas.


48

2.2.3. CUIDADOS DE LOS RECIPIENTES A PRESIÓN.

La protección en contra de la presión excesiva entra en gran parte en los requisitos del Código

sobre los dispositivos de alivio. La exposición al fuego se cubre también en el Código; sin

embargo, en éste no hay disposiciones para la posibilidad de sobrecalentamientos locales y

debilitamiento de cualquier recipiente en un incendio. El aislamiento reduce la capacidad de

alivio que se requiere y también la posibilidad de sobrecalentamientos locales.

Una válvula reductora de la presión en una línea que conduzca a un recipiente a presión no

será una protección adecuada contra la presión excesiva. Su falla someterá al recipiente a la

presión completa de la línea.

Los recipientes que tengan un ciclo operacional que implique la solidificación y la fundición de

sólidos podrán desarrollar presiones excesivas. Un tapón sólido de material puede sellar un

extremo del recipiente. Si se aplica calor a ese extremo para provocar la fusión, la expansión

del líquido podrá hacer que se acumule una presión elevada y dará quizá como resultado la

cedencia o la ruptura. La solidificación en las tuberías de conexión puede crear problemas

similares.

Algunos recipientes se pueden exponer a una explosión o a una reacción química

descontrolada. Esto requiere válvulas de alivio, discos de ruptura o, en casos extremos, una

barricada (en recipientes eliminables). Un recipiente con un disco grande de ruptura necesita

anclajes diseñados para el impulso del chorro al saltar el disco.

Es preciso tomar en consideración el vacío. Casi siempre es posible que el contenido de un

recipiente se contraiga o se condense lo suficiente para provocar un vacío interno. Si el

recipiente no puede soportar el vacío, deberá tener válvulas de interrupción de vacío. Las

operaciones inadecuadas en un proceso pueden dar como resultado que el recipiente sobrepase

la temperatura de diseño. La única solución para este problema es el control adecuado. Los

procedimientos de mantenimiento pueden provocar también temperaturas excesivas.

Las temperaturas excesivamente bajas pueden implicar un riesgo de fractura por fragilidad. Un

recipiente que no se utilice en climas fríos, podrá estar a una temperatura inferior a cero y muy

por debajo de su temperatura de ductilidad nula. Al ponerlo en servicio, el recipiente se deberá

calentar lentamente y de manera uniforme, hasta que esté por encima del punto de ductilidad

nula. Un valor seguro para una placa, si no se conoce su temperatura de ductilidad nula, es el

de 38°C (100°F).


49

El recipiente no se deberá someter a presión hasta sobrepasar esa temperatura. Incluso por

encima de la temperatura de ductilidad (NDT), el enfriamiento o el calentamiento con una

rapidez excesiva pueden provocar esfuerzos térmicos elevados. La corrosión es quizá la mayor

amenaza para la vida de un recipiente. Los recipientes llenos en forma parcial tienen con

frecuencia picaduras importantes en la entrecara líquido-vapor. Por lo común los recipientes no

tienen un margen de corrosión en la parte exterior.

La falta de protección contra el medio o el derramamiento de los productos químicos corrosivos

pueden reducir la vida de un recipiente. El aislamiento puede contener sustancias dañinas. Los

cloruros en los materiales de aislamiento pueden provocar grietas en los aceros inoxidables.

Hay muchos modos en los que un recipiente a presión puede sufrir daños mecánicos. Los

cascos se pueden abollar o incluso perforar pueden caerse o tener cables de levantamiento

sujetos en forma inadecuada, se pueden romper los pernos, doblarse las bridas mediante un

apretamiento excesivo de los pernos, y las caras de contacto de los empaques pueden rasparse

o abrirse, las paletas giratorias pueden raspar el casco o cuerpo y provocar desgaste y se puede

colocar una brida con un empaque que este a mitad de la ranura y a mitad fuera de ella.

La mayor parte de esos tipos de daños se pueden evitar mediante la utilización de sentido

común y mucho cuidado. Si se reparan los daños mediante la rectificación, como en el caso de

los cascos con abolladuras, puede ser necesario aliviar de esfuerzos la zona reparada. Algunos

aceros son propensos a volverse quebradizos por envejecimiento, después de deformaciones

importantes. Uno de los procedimientos más seguros es el de cortar y retirar la zona dañada y

reemplazarla. No obstante, cualquier reparación es aceptable si se hace de acuerdo con las

reglas del código de recipientes a presión.

Los recipientes a presión se deben inspeccionar periódicamente. No se puede dar ninguna regla

sobre la frecuencia de esas inspecciones; depende de las condiciones operacionales. Si las

primeras inspecciones de un recipiente indican un índice bajo de corrosión, se podrán alargar

los intervalos entre inspecciones. Algunos recipientes se examinan con intervalos de cinco años

y otros, hasta una vez por año. La medición de la corrosión es un concepto importante de

inspección. Uno de los modos más convenientes de medir el espesor (y la corrosión) es utilizar

un medidor ultrasónico. Es preciso observar y señalar la ubicación de la corrosión y si es

uniforme o se localiza en socavamientos profundos. Se deben examinar las grietas, las fugas y

todos los tipos de distorsiones. Las grietas son particularmente peligrosas, porque pueden

provocar fallas repentinas. Casi siempre se deja el aislamiento en su lugar durante la inspección

de los recipientes aislados; sin embargo, si se sospecha que hay una fuerte corrosión externa,


50

será preciso retirar el aislamiento. Para los exámenes son útiles todas las formas de pruebas no

destructivas.

El cuidado al volver a montar el recipiente es muy importante. Se deben colocar

adecuadamente los empaques, sobre todo si están en ranuras. Los pernos tendrán que

apretarse en la secuencia adecuada. Sin embargo, en algunos casos críticos y con pernos

grandes es necesario controlar el apretamiento de los pernos mediante llaves de torsión,

micrómetros y dispositivos para apretar pernos mediante su calentamiento. Después del

montaje, se somete algunas veces a los recipientes a una prueba hidrostática.

Una prueba hidrostática es una manera de encontrar fugas en recipiente a presión. La prueba

se realiza colocando agua en el recipiente, que por lo regular se le aplica algún colorante para

mejor visibilidad, a la presión requerida para asegurar que no tendrá fuga o será dañado. Es el

método más comúnmente utilizado para pruebas de tuberías o recipientes. Utilizar esta prueba

ayuda a mantener estándares seguros y durabilidad en los equipos.


51

CAPÍTULO 3.- CRITERIOS DE

DISEÑO.

En este capítulo se exponen los factores que deben considerarse en el diseño de una

torre empacada; así como de la instalación que esta requiere y la metodología utilizada

para la misma, describiendo las ecuaciones y nomenclaturas correspondientes.


52

3.1. FACTORES A TOMAR EN CUENTA PARA EL DISEÑO DEL

RECIPIENTE.

Los recipientes a presión están sujetos a diversas cargas, que causan esfuerzos de diferentes intensidades en los componentes del recipiente. El tipo e intensidad de los esfuerzos es una

función de la naturaleza de las cargas, de la geometría del recipiente y de su construcción.

A veces, la resistencia de un elemento es muy importante para determinar la configuración

geométrica y las dimensiones que tendrá dicho elemento, en tal caso se dice que la resistencia es un factor importante de diseño.

La expresión factor de diseño significa alguna característica o consideración que influye en el

diseño de algún elemento o, quizá, en todo el sistema. Por lo general se tiene que tomar en

cuenta varios de esos factores en un caso de diseño determinado. En ocasiones, alguno de esos factores será crítico y, si se satisfacen sus condiciones, ya no será necesario considerar los

demás.

Algunos de estos factores se refieren directamente a las dimensiones, al material, al

procesamiento o procesos de fabricación o bien, a la unión o ensamble de los elementos del sistema. Otros se relacionan con la configuración total del sistema.

PRESIÓN DE OPERACIÓN (Po).

Es la presión manométrica a la cual estará sometido un equipo en condiciones de operación normal también es identificada como la presión de trabajo. La cual entre otros factores está en

función del fluido utilizado.

PRESIÓN DE DISEÑO (P).

Es el valor de presión que debe utilizarse en las ecuaciones para el cálculo de las partes

constitutivas de los recipientes sometidos a presión, dicho valor será el siguiente:

CONDICIÓN ECUACIÓN No. Ec. Si Po 300 lb/pulg2. P = 1.1. Po. (Ec. 1)

Si Po 300 lb/pulg2. P = Po + 30 lb/pulg2. (Ec. 2)

Dónde: P: Es la presión de diseño.

Po: Es la presión de operación.

Principalmente para recipientes cilíndricos verticales, al determinar la presión de diseño (P),

debe tomarse en consideración la presión hidrostática debida a la columna del fluido que estemos manejando, si este es líquido sobre todo en recipientes cilíndricos verticales.

PRESIÓN DE PRUEBA HIDROSTÁTICA (Pp).

Su valor se considera como una y media veces la máxima presión permitida de operación o la presión de diseño cuando no se hacen los cálculos para determinar la presión máxima permitida

de trabajo.

Si el valor del esfuerzo del material del recipiente a la temperatura de diseño es menor que a la

temperatura de prueba, la presión de prueba hidrostática debe incrementarse proporcionalmente.


53

La presión hidrostática de prueba se cuantificará por medio de la siguiente ecuación:

Pp = P (1.5)

(Ec. 3)

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.

Al someter el equipo a esta presión de prueba, no se permitirá ninguna deformación, ni pérdida excesiva y el equipo debe trabajar normalmente después de la prueba.

PRESIÓN DE TRABAJO MÁXIMA PERMISIBLE.

Es la presión máxima a la que se puede someter un recipiente, en condiciones de operación,

suponiendo que él está:

a) En condiciones después de haber sido corroído.

b) Bajo los efectos de la temperatura de diseño. c) En la posición normal de operación.

d) Bajo los efectos de otras cargas, tales como fuerza debida al viento, presión hidrostática, cuyos efectos deben agregarse a los ocasionadas por la presión

interna.

Comúnmente, los usuarios, diseñadores y fabricantes de recipientes a presión, limitan la presión

de trabajo máxima permisible por la resistencia del cuerpo o las tapas, y no por elementos componentes pequeños tales como bridas, boquillas, etc.

El término “Máxima presión de trabajo permisible nuevo y frío” es usado frecuentemente. Esto

significa: La presión máxima permisible, cuando se encuentra en las siguientes condiciones:

a) El recipiente no está corroído (nuevo).

b) La temperatura no afecta a la resistencia a la tensión del material (temperatura ambiente) (frío).

c) Tampoco se consideran los efectos producidos por la acción del viento, presión

hidrostática, etc.

El valor de la presión de trabajo máxima permisible, se obtiene despejando “p” de las ecuaciones que determinan los espesores del cuerpo y las tapas, y usando como “t” el espesor

real del equipo y su valor será el que resulte menor.

Este valor se determinará en función del espesor real del equipo.

ESFUERZO DE DISEÑO A LA TENSIÓN (S).

Es el valor máximo al que se puede someter un material, que forma parte de un recipiente a

presión en este caso en particular, en condiciones normales de operación. Su valor es aproximadamente el 25% del esfuerzo último a la tensión del material en cuestión.


54

TEMPERATURA DE DISEÑO (T).

Es la temperatura que el equipo puede alcanzar, trabajando bajo condiciones extremas

(máximas o mínimas) de presión y temperatura. Se obtiene mediante la siguiente relación:

(Ec. 4)

Dónde: Es la presión temperatura de operación.

EFICIENCIA DE LAS SOLDADURAS (E).

Se puede definir la eficiencia de las soldaduras, como el grado de confiabilidad que se puede

tener de ellas. Sus valores están dados en la tabla1 en la cual se muestran los tipos de unión más comúnmente usados en la fabricación de recipientes a presión.

a) Para recipientes constituidos por dos casquetes que no tienen una costura longitudinal,

se tomara el valor de la eficiencia de la soldadura igual a 1.

b) Para recipientes de tres piezas unidas por soldadura, dos casquetes y una sección

cilíndrica, la eficiencia de la soldadura será:

PORCENTAJE η

- Totalmente radiografiada 90% 1.00

- Parcialmente radiografiada 80% 0.80

- Sin radiografía 70% 0.70


55

3.2. FÓRMULAS EMPLEADAS EN EL DISEÑO DEL RECIPIENTE.

De acuerdo a las condiciones de trabajo de nuestro sistema, mostraremos las fórmulas

empleadas en el diseño del equipo.

TABLA 2.- FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE DIMENSIONES DEL RECIPIENTE.

ESPESOR DELRECIPIENTE MENOS

MARGEN POR CORROSIÓN

(Ec.5)

ESPESOR DEL RECIPIENTE

(Ec. 6)

ESPESOR DE LAS TAPAS

(Ec. 7)

DIÁMETRO EXTERIOR

(Ec. 8)

TAMAÑO ÓPTIMO DEL RECIPIENTE

( )( )( )

(Ec. 9)

TABLA 2A.- NOMENCLATURA DE LAS FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE DIMENSIONES DEL RECIPIENTE

Presión de diseño. Radio interior. Esfuerzo a la tensión del material.

Tolerancia a la corrosión. Diámetro interior. Eficiencia de la soldadura.


56

TABLA 3.- FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE REFUERZOS EN BOQUILLAS

ESPESOR DEL TUBO BASE.

Este espesor se compara con el espesor nominal del tubo, para saber si es suficiente el que se tiene. Debe de ser mayor al nominal, en caso contrario se requiere calcular un refuerzo.

(Ec. 10)

ÁREA DE REFUERZO REQUERIDA. Es la mínima área que se necesita para el refuerzo de la boquilla.

(Ec.11)

ÁREA DE EXCESO DEL RECIPIENTE. Usar el valor mayor. Si el valor de esfuerzo del material de la abertura es menor que el del recipiente el área debe disminuirse.

{ ( )

( )( )( ) (Ec. 12)

ÁREA DE EXCESO EN LA BOQUILLA.

Usar el valor que sea menor.

{ ( )( )

( )( ) (Ec. 13)

PROYECCIÓN HACIA EL INTERIOR. Es la distancia que se requiere como mínimo al interior del recipiente para usarse como base en la soldadura interna de la boquilla.

{

(Ec. 14)

ÁREA DE PROYECCIÓN HACIA EL

INTERIOR. Es el área que se requiere como mínima al interior del recipiente para usarse como base en la soldadura interna de la boquilla.

(Ec. 15)

ÁREA DE SOLDADURA EXTERIOR. Es el área mínima requerida para la soldadura externa de la boquilla.

( ⁄ )

(Ec. 16)

ÁREA DE SOLDADURA INTERIOR. Es el área mínima requerida para la soldadura interna de la boquilla.

( ⁄ )

(Ec. 17)

ÁREA TOTAL DISPONIBLE.

En esta ecuación se suman todas las áreas calculadas anteriormente. Para así determinar el área disponible de refuerzo.

∑ (Ec. 18)

ÁREA DEL REFUERZO. Esta es una simple resta para conocer el área de refuerzo necesario.

(Ec. 19)


57

BASE DE REFUERZO. Es la distancia mínima utilizada en la unión del refuerzo y el recipiente, en el anillo de refuerzo.

(Ec. 20)

DIÁMETRO INTERIOR DEL ANILLO. Este es el diámetro interno del anillo de refuerzo más el margen de corrosión.

⁄ (Ec. 21)

DIÁMETRO EXTERIOR DEL ANILLO. Este es el diámetro externo del anillo de refuerzo más el margen de corrosión.

(Ec. 22)

TABLA 3A.- NOMENCLATURA DE LAS FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE DIMENSIONES DEL RECIPIENTE

Espesor de pared del recipiente menos el margen por corrosión.

Espesor del recipiente.

Espesor nominal de la pared de la boquilla sin tomar en cuenta la forma del producto menos el margen por corrosión.

Espesor del tubo base sin costura. Es el espesor menor de todos los calculados.

Presión de diseño. Radio interior. Esfuerzo a la tensión del material. Eficiencia de la soldadura. Diámetro interior de la boquilla.

Área de refuerzo requerida.

Área del espesor excedente de la pared del recipiente. Área del espesor excedente de la pared de la boquilla.

Distancia que se prolonga la boquilla más allá de la superficie interior de la pared del recipiente menos el margen por corrosión.

Área de extensión de la boquilla hacia el interior. Área de soldadura exterior. Área de soldadura interior.

Área total disponible. Área requerida para el refuerzo del registro. Base de refuerzo que requiere la boquilla.

Diámetro interior del anillo de refuerzo más el margen por corrosión.

Diámetro exterior del tubo base, el cual es un dato.

Diámetro externo del anillo de refuerzo más el margen de corrosión.


58

TABLA 4.- FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE OREJAS DE IZAJE

TENSIÓN DEL CABLE PARA RECIPIENTE

VERTICAL. Permite encontrar la tensión máxima del cable.

∑

(Ec. 23)

DIÁMETRO DEL CABLE.

Permite encontrar el diámetro mínimo del cable.

√

(Ec. 24)

DIÁMETRO DEL BARRENO. Permite encontrar el diámetro mínimo del barreno, considerando una tolerancia de 1/8 in.

(Ec. 25)

RADIO DE LA OREJA.

Permite encontrar el radio necesario de la oreja de izaje.

(Ec. 26)

ESPESOR REQUERIDO DE LA OREJA. Permite calcular el espesor mínimo que necesita la oreja

de izaje.

( )(

)

(Ec. 27)

LONGITUD DE LA SOLDADURA. Permite calcular la longitud necesaria de la soldadura.

(Ec. 28)

MÓDULO DE SECCIÓN DE LOS

CORDONES DE SOLDADURA. Permite encontrar el módulo de sección de los cordones de soldadura sometidos a flexión.

( )

(Ec. 29)

FUERZA CORTANTE VERTICAL DE LA OREJA DE IZAJE.

Permite calcular fuerza cortante vertical aplicada a la oreja de izaje.

(Ec. 30)

CARGA AXIAL. Permite calcular la carga axial aplicada a la oreja de izaje.

(Ec. 31)

CARGA SOBRE LA SOLDADURA DE

FILETE. Permite encontrar la carga sobre la soldadura de filete sometida a flexión o compresión.

(Ec. 32)

ESFUERZO CORTANTE VERTICAL. Permite calcular el esfuerzo cortante vertical sobre la soldadura de filete.

(Ec. 33)


59

ESFUERZO FLEXIONANTE. Permite calcular el esfuerzo flexionante al cual está sometida la soldadura.

(Ec. 34)

ESFUERZO TOTAL SOBRE LA SOLDADURA.

Permite encontrar el esfuerzo total sobre la soldadura de filete.

√( ) ( ) ( )

(Ec. 35)

ESPESOR DE LA SOLDADURA.

Permite calcular el espesor mínimo de la soldadura de filete.

(Ec. 36)

TABLA 4A.- NOMENCLATURA DE LAS FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE OREJAS DE IZAJE


60

TABLA 5.- FÓRMULAS PARA CÁLCULO DE FALDÓN.

ESPESOR POR PESO PROPIO.

Esta fórmula se emplea para determinar el espesor necesario con base al peso del equipo.

(Ec. 37)

PRESIÓN DEL VIENTO.

Esta fórmula se emplea para determinar la presión que se ejerce sobre el equipo por la velocidad del viento.

( ) (Ec. 38)

FUERZA DE CORTE PRODUCIDA POR EL

VIENTO. Esta fórmula se emplea para determinar el esfuerzo cortante al que se somete el faldón.

(Ec. 39)

CALCULANDO H1

Esta fórmula se emplea para determinar h1 del faldón.

(Ec. 40)

MOMENTO PRODUCIDO POR EL VIENTO. Esta fórmula se emplea para determinar el momento que se ejerce al equipo por la fuerza producida por el viento.

(Ec. 41)

ESPESOR REQUERIDO POR VIENTO.

Esta fórmula se emplea para determinar el espesor de las paredes del faldón basado en la fuerza que ejerce el viento.

(Ec. 42)

FUERZA CORTANTE POR SISMO.

Esta fórmula se emplea para determinar el esfuerzo cortante al que se somete el faldón por sismo.

(Ec. 43)

MOMENTO PRODUCIDO POR SISMO.

Esta fórmula se emplea para determinar el momento que produce un sismo sobre el equipo.

(

) ( ) (Ec. 44)

ESPESOR REQUERIDO POR SISMO.

Esta fórmula se emplea para determinar el espesor necesario de las paredes del faldón basado en sismos.

(Ec. 45)

ESPESOR TOTAL

Esta fórmula es la sumatoria de espesores para determinar el espesor total.

(Ec. 46)


61

TABLA 5A.- NOMENCLATURA DE LAS FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE FALDÓN.

tW Espesor requerido por el peso propio del equipo WTotal Peso total del equipo Dext Diámetro externo

S Esfuerzo ultimo E Nivel de radiografiado

PW Presión del viento VW Velocidad del viento V Fuerza cortante producida por el viento

Dint Diámetro interior H Altura h1 Altura de faldón

Mmax Momento máximo producido por el viento treq viento Espesor requerido por viento

r Radio C Coeficiente sísmico

treq sismo Espesor requerido calculado por sismo

TABLA 6.- FÓRMULAS PARA CÁLCULO DE CIMENTACIÓN.

CÁLCULO DE LA CARGA TOTAL.

Determina la carga total que se ejerce sobre el suelo por el equipo.

(Ec. 47)

ÁREA DE CIMENTACIÓN REQUERIDA.

Se emplea para determinar el área de cimentación la cual depende de la carga admisible del suelo, de tal forma que el equipo no se hunda.

(Ec. 48)

LONGITUD DE ZAPATA CUADRADA.

Se emplea para determinar las dimensiones de la zapata que soportará el peso del equipo.

√ (Ec. 49)

VUELO.

Determina el vuelo de la zapata, que es la parte restante a los extremos de la corona.

(Ec. 50)

ESFUERZO FLEXIONANTE.

Se emplea para encontrar el esfuerzo flexionante de la zapata, el cual será soportado por varillas de acero.

(Ec. 51)


62

MOMENTO FLEXIONANTE.

Determina el momento flexor que se aplica sobre la zapata por el peso del equipo.

( )

(Ec. 52)

PERALTE.

Altura de la zapata.

√

(Ec. 53)

PERALTE TOTAL.

Altura total de la zapata.

(Ec. 54)

DISTANCIA D’

Estabilidad de la zapata.

’ Vuelo- Peralte total (Ec. 55)

CÁLCULO DEL CORTANTE.

Determina el esfuerzo cortante al que se somete la cimentación para determinar sus propiedades mecánicas.

(Ec. 56)

ESFUERZO CORTANTE LINEAL. Esfuerzo cortante por unidad de longitud.

(Ec. 57)

ÁREA DE ACERO POR FLEXIÓN.

Se emplea para determinar el área del acero con base al esfuerzo por flexión al que está sometida la cimentación.

(Ec. 58)

NÚMERO DE VARILLAS

Se emplea para determinar el número de varillas con base al área de acero requerida y el área de la varilla a utilizar que en este caso será de ½”.

⁄ (Ec. 59)

CÁLCULO POR ADHERENCIA.

Determina el esfuerzo por adherencia al que está sometida la cimentación.

∑

(Ec. 60)

CÁLCULO DE ÁREA DE ACERO POR

TEMPERATURA. Determina el área necesaria de acero con base a la temperatura a la que se someterá.

At= 0.002 L d’ (Ec. 61)

NÚMERO DE VARILLAS.

Se emplea para determinar el número de varillas necesarias con respecto al área total de acero requerida por temperatura.

(Ec. 62)


63

TABLA 6A.- NOMENCLATURA DE LAS FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE CIMENTACION.

Carga total. Carga aplicada.

Área de cimentación. Carga aplicada. Carga admisible del piso.

Longitud de zapata. Área de cimentación.

Vuelo Corona Esfuerzo flexionante

Carga total Esfuerzo admisible del piso

Momento flexionante Peralte Constante

Peralte total Dos veces el peralte Cortante Esfuerzo flexionante ’ Esfuerzo cortante d Diámetro Área de acero Momento flexionante Constante d Diámetro

Numero de varillas ⁄ Área de acero por varilla

Adherencia Peralte total At Área total de acero L Longitud de Zapata

Numero de varillas Área de acero por varilla


64

3.3. ORIENTACIONES PARA DECIDIR CUANDO UNA TORRE

EMPACADA ES LA SOLUCIÓN A UN PROBLEMA DE TRANSFERENCIA DE

MASA.

En este punto estableceremos una serie de puntos comparativos entre una torre empacada y

una de platos, así mismo, se pondrán en evidencias ventajas y desventajas de las torres

empacadas.

Debido a que son muchos los factores que intervienen no es posible establecer un criterio

definitivo para decidir cuándo es más conveniente el uso de una torre empacada sobre una de

platos. Entre los factores que deben ser tomados en cuenta se tienen: caída de presión, costo,

construcción, enfriamiento del líquido, diámetro de la torre, corrosión, entre otros aspectos.

En este punto se dan algunas orientaciones generales que pueden ayudar al Ingeniero en la

elección de torre empacada o torre de platos para la solución de un problema de transferencia

de masa:

A. Caída de presión del gas. Las torres empacadas tienen una menor caída de presión. Esto

es especialmente importante pata la destilación al vacío.

B. Corrosión. Cuando se tienen problema complicados de corrosión las torres empacadas

resultan ser las más convenientes.

C. Diámetro. Para las torres con un diámetro menor a 2 pies la alternativa de torre empacada

se hace más atractiva, debido a que el costo capital de una torre empacada para diámetros

menores en la mayoría de los casos es menor a su equivalente en platos, pero para diámetros

mayores a 2 pies se invierte este resultado.

E. Retención del Líquido. Las torres empacadas proporcionan una retención del líquido

sustancialmente menor. Esto es importante cuando el líquido se deteriora a altas temperaturas;

los tiempos cortos de retención son esenciales para obtener buenas separaciones en la

destilación por lotes.

E. Relación Líquido-Gas. En las torres de platos se trabaja con valores muy bajos de esta

relación. En las torres empacadas son preferibles los valores altos.

F. Enfriamiento del Líquido. Los espirales de enfriamiento se construyen más fácilmente en

las torres de platos. El líquido puede eliminarse más rápidamente de los platos, para pasarlo a

través de enfriadores y regresarlo, que de las otras torres empacados.

G. Corrientes laterales. Son eliminados más fácilmente en las torres de platos.

H. Sistemas Espumantes. Las torres empacadas operan, con menor burbujeo del gas a

través del líquido y son las más adecuadas cuando se trabajan sistemas que tienden a formar

espuma.

I. Presencia de sólidos. Ninguno de los tipos de torres es muy satisfactorio, si se requiere la

acción a contra corriente en varias etapas, es mejor eliminar los sólidos al principio.

J. Limpieza. La limpieza es más fácil en la torre de platos.


65

K. Fluctuaciones grandes de temperatura. Los empaques frágiles (cerámica, grafito)

tienden a romperse. Los platos o empaques de metal son más satisfactorios.

L. Carga sobre la base. Las torres empacadas de plástico son menos pesadas que las torres

de platos, las que a su vez son más ligeras que las torres de cerámica o empacados de metal.

En cualquier caso debe diseñarse la carga sobre la base, considerando que la torre puede

llenarse accidental y completamente de líquido.

M. Construcción. La torre empacada, puede construirse y ponerse en servicio en menos

tiempo que la de platos.

N. Costo. Si no hay otras consideraciones importantes, el costo total de la torre es el factor

más importante para decidir que opción es la mejor.

3.4.CARACTERÍSTICAS A DEFINIR EN EL DISEÑO DE UNA TORRE

EMPACADA.

Para efectuar al diseño de una torre empacada y para que este sea completo se deben

especificar las siguientes propiedades:

A. Tipo de empaque, material de construcción, tamaño nominal (selección del empaque).

B. Altura de lecho empacado.

C. Internos de Torres Empacadas.

1. Soportes de empaque

2. Hold down plates.

3. Limitadores de cama.

4. Distribuidores de líquido.

5. Redistribuidores de líquido.

6. Platos tipo chimenea.

3.5. SELECCIÓN DEL EMPAQUE.

No es posible fijar Criterios absolutos para decidir el tipo de empaque (definido por su tipo,

tamaño nominal y material de construcción) más conveniente para un servicio específico debido

a que son muchos los factores que intervienen en las operaciones de transferencia de masa

liquido -vapor.

Las características a considerar en la selección del empaque para cualquier servicio son:


66

A. Resistencia química.

Los más resistentes químicamente son los hechos de porcelana química, chemicalstoneware y

plástico (tabla 7), una limitación importante de los plásticos es su temperatura de

reblandecimiento a continuación se presentan algunas propiedades físicas de los plásticos.

TABLA 7.- PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS PLÁSTICOS.

Material Temperatura de

Reblandecimiento (F°)

Gravedad específica

% Absorción de agua

ATM-D570 Polipropileno 250 0.91 0.01

Polietileno lineal 215 0.95 0.10

Plastite (1) 300 0.84 0.01

Penton (2) 290 1.40 0.01

Kyner (3) 320 1.78 0.04

PVC Rígido 165 1.40 0.07

B. Esfuerzo Estructural Admisible.

El esfuerzo estructural admisible del empaque no es un problema importante porque en la

práctica industrial es común diseñar las torres empacadas con lechos de altura máxima de 20

pies, seccionándose el lecho calculado las veces necesarias. Para que se cumpla la

especificación anterior y de redistribuci6n de líquido. Todos los empaques comerciales están

diseñados para soportar el esfuerzo estático y dinámico desarrollado por un lecho de 20 pies de

alto de mismo empaque en las operaciones más usuales de la Industria Química y

Petroquímica; los empaques metálicos resisten esfuerzos mayores.

C. Capacidad para conducción de fluidos.

La capacidad de conducci6n de fluidos se incrementa en el siguiente orden: anillos Rasching,

monturas Berl, monturas Intalox, anillos perforados, anillos pall y anillos HY-PAK. La capacidad

de conducción de fluido de cada empaque aumenta con el tamaño nominal. El factor de

empaque F es una medida de la capacidad de conducción, que varía en forma inversamente

proporcional.

D. Eficiencia.

La eficiencia para la transferencia de masa se incrementa en el orden siguiente: anillos

Rasching, monturas Berl, monturas Intalox, anillos Pall y anillos HY PAK; la eficiencia de cada

tipo de empaque aumenta al disminuir el tamaño nominal del mismo; a escala industrial no se

logran substanciales incrementos en eficiencia cuando se usan empaques menores a 3/4 de -

pulgada (pero sí se incrementa el Costo).


67

E. Caída de Presión.

Para evitar el “Efecto de Pared’, que disminuye sensiblemente la eficiencia y exactitud de las

relaciones de cálculo, caída de presión e inundamiento, se debe cuidar que la relación entre el

tamaño nominal del empaque y el diámetro interno de la torre (en las mismas unidades) de

nuestro diseño, no exceda los valores indicados para cada tipo de empaque Tabla 8.)

En caso de que suceda lo anterior, debemos rediseñar con un tamaño nominal de empaque

menor.

TABLA 8.- CARACTERÍSTICAS DEL EMPAQUE.

Tipo de empaque

R D(pulgadas)

Anillos Rasching 1/30 30

Monturas Berl 1/15 15

Monturas Intalox 1/15 15

Anillos Pall 1/15 15

E. Costo.

La selección inicial del tamaño (o tamaños) nominal(es) de los tipos de empaques a probar para

el diseño final, la podemos hacer en base al diámetro que esperamos tenga la torre.

La selección final del empaque depende del contenido en el diseño más económico y de

operación confiable de las que se hayan analizado.


68

CAPÍTULO 4.- MEMORIA DE

CÁLCULO.

En este capítulo se muestra el desarrollo de la metodología empleada para el diseño de

una torre empacada; asi como de la instalación requerida para la misma.


69

En el Apéndice A se encuentra la tabla de especificación de materiales en acero al

carbon en función de la temperatura de trabajo, de donde obtendremos los valores de

los esfuerzos a las temperaturas correspondientes de trabajo, para una selección

adecuada del material empleado.

DATOS DEL RECIPIENTE:

MATERIAL DE LAS PLACAS. Mat. SA-285-C

MATERIAL DE LAS TAPAS. Mat. SA-285-C

Diámetro Interior. 60 in

Radio Interior. 30 in

Long. de Soldadura a Soldadura L 12 ft

Presión de Operación 250 PSI

Temperatura de Operación 212°F

Presión de Diseño P 280 PSI

Presión de Prueba Hidrostática 420 PSI

Temperatura de Diseño T 233.2°F

Tolerancia a la Corrosión C.A. 0.0625 in

Eficiencia de la Soldadura E 100%

4.1. CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES.

Para los siguientes cálculos se toma como referencia las ecuaciones de la Tabla 2.

Cálculo del Cuerpo (Ec.6):

( )

( ) ( )( )

⁄

⁄

Cálculo de Tapa Semielíptica (Ec. 7):

( )

( )( )( ) ( )( )

⁄

⁄

Diámetro exterior (Ec. 8):

(

) ⁄


70

Tamaño óptimo del recipiente (Ec. 9):

( )( )( )

( )( )( )

(

)

En la siguiente gráfica se muestra la obtención del tamaño óptimo del recipiente base, en

función del diámetro del recipiente en pies y el factor de Abakians (F).

Fig. 26.-Gráfica para tamaño óptimo del recipiente.


71

Del gráfico obtenemos:

Se sabe que el volumen es igual a:

Despejamos L:

( )

( )

La relación que se considera es:

de 2 a 3. Para nuestro caso consideraremos una relación

de 2.5.

Por lo tanto nuestra será igual a:

( )

Que como se puede observar está dentro de los límites de la

Entonces:

( )

( )


72

4.2. CÁLCULO DEL PESO DEL RECIPIENTE.

Peso del recipiente vacío.

Casco: refiriéndose al Apéndice C donde se observa el valor del peso por cada pie y de acuerdo

a su espesor y diámetro correspondientes, se tiene:

t = 5/8 in D = 60 in L = 12.5 ft

Tapas: refiriéndose al Apéndice C donde se observa el valor del peso por cada tapa y de

acuerdo a su espesor, diámetros y tipo de tapas correspondientes, se tiene:

t = 5/8 in D = 60 in 2 tapas

Peso total del recipiente vacío:

Peso del recipiente lleno de agua.

Casco: refiriéndose al Apéndice D donde se observa el valor del peso del agua por cada pie del

recipiente y considerando el diámetro del mismo, se tiene:

Tapas: refiriéndose al Apéndice D donde se observa el valor del peso del agua por el número

de tapas del recipiente y considerando el diámetro del mismo, se tiene:

Peso total lleno de agua:

Peso Total del recipiente:


73

Peso del recipiente bajo Normas:

( )

( )

4.3. CÁLCULO DE LAS BOQUILLAS.

La siguiente tabla de datos de boquillas se toman del Apéndice M y el plano DWG001:

TABLA 9.- BOQUILLAS

B-N° Nominal Exterior Interior Servicio

N-1 4’’ NOM. CED 40 4.5 4.026 0.237 Entrada de aceite.

N-2 4’’ NOM. CED 40 4.5 4.026 0.237 Salida de agua.

N-3 2’’ NOM. CED 40 2.375 2.067 0.154 Entrada de gas.

N-4 2’’ NOM. CED 40 2.375 2.067 0.154 Salida de gas.

N-5 2’’ NOM. CED 40 2.375 2.067 0.154 Drenaje.

N-6 2’’ NOM. CED 40 2.375 2.067 0.154 Control de nivel.

N-7 3/4 ’’ NOM. CED 40 1.050 0.824 0.113 Indicador de nivel.

N-8 3/4’’ NOM. CED 40 1.050 0.824 0.113 Indicador de presión.

N-9 3/4’’ NOM. CED 40 1.050 0.824 0.113 Indicador de

temperatura.

SA 8’’ NOM. CED 40 8.625 7.981 0.322 Abertura acceso.


Por norma las boquillas menores de 3 pulgadas, sólo llevan refuerzos de apertura las bridas

mayores a 3 pulgadas de diámetro.

Material del tubo.

SA-53-B

Material del recipiente.

SA-285-C

Caso

Calculamos boquillas N-1 y N-2.

Características del tubo:

{


74

Calculamos el espesor del recipiente base. (Ec. 5):

( )( )

( )( ) ( )

⁄

⁄

Calculamos el espesor del tubo base. (Ec. 10):

( ) (

)

( )( ) ( )

Es suficiente ya que tenemos como mínimo.

Área de refuerzo requerida.

( )( )

Área de refuerzo disponible.

Calculamos el área de exceso en el recipiente . (Ec. 12):

{ ( ) ( )( )

( )( )( ) ( )( )( )

Calculamos el área de exceso en la boquilla . (Ec. 13):

{ ( )( ) ( )( )( )

( )( ) ( )( )( )

Calculamos la proyección hacia el interior . (Ec. 14):

{ ( )

( )

Calculamos el área de proyección hacia el interior . (Ec. 15):

( )( )( )


75

Calculamos el área de soldadura exterior. (Ec. 16):

( ⁄ )

(

⁄ )

Calculamos el área de soldadura interior. (Ec. 17):

( ⁄ )

(

⁄ )

Área total disponible.

∑

Calculamos el área del refuerzo. (Ec. 19):

Calculamos la base de refuerzo. (Ec. 20):

Calculamos el diámetro interior del anillo. (Ec. 21):

⁄

⁄

Calculamos el diámetro exterior del anillo. (Ec. 22):


76

Fig. 27.-Anillo de refuerzo (configuración básica).


77

4.4. CÁLCULO DE LAS OREJAS DE IZAJE.

Fig. 28.- Diagrama de cuerpo libre de la oreja de Izaje.


Considerando la condición más crítica:

Tensión del cable (Ec. 23):

∑

Calculando el diámetro del cable. (Ec. 24):

√ ( )

( )

Barreno de la oreja.(Ec. 25):

Y

X

W

Fx

Fy

10°

T


78

Radio de la oreja. (Ec. 26):

(

)

Espesor requerido de la oreja. (Ec. 27):

( )(

)

Espesor para placa de asentamiento de oreja.

Calculando la longitud de la soldadura. (Ec. 28):

( ) ( )

Calculando el módulo de sección de los cordones de soldadura sujetos a momento flexionante.

(Ec. 29):

( )( ) ( )

Fuerza cortante vertical. (Ec. 30):

Carga axial. (Ec. 31):

Carga sobre la soldadura de filete debido a la tensión o compresión. (Ec. 32):

Esfuerzo cortante vertical sobre la soldadura de filete. (Ec. 33):

Esfuerzo flexionante sobre la soldadura de filete. (Ec. 34):

( )


79

√( ) ( ) ( )

Espesor de la soldadura. (Ec. 35):

4.5. CÁLCULO DE FALDÓN.

Material del faldón SA-36 S= 18000PSI

W TOTAL ASME = 25,555.54lb

D int= 60” E = 0.7 sin radiografiar

H= 12ft = 144in

Ubicación Tampico Tamaulipas.

Para realizar el cálculo del faldón se usaran las ecuaciones de la tabla 5.

Espesor por peso propio. (Ec. 37):

( )( )( )

Viento.

⁄

Presión del viento. (Ec 38):

( )

( ) ⁄

Fuerza de corte producida por el viento. (Ec 39):

(

) (

)

Calculando h1 (Ec 40):


80

( )

Momento producido por el viento. (Ec 41):

(

)

Espesor requerido por viento. (Ec 42):

( )

( ) ( )( )

Zona sísmica A

Tipo de suelo III C = 0.20

Fuerza cortante por sismo. (Ec 43):

( )( )

Momento producido por sismo. (Ec 44):

(

) ( )

(

) (

( )( )

)

Espesor requerido por sismo. (Ec 45):

( ) ( )( )

Espesor total. (Ec 46):

Revisando condición.

0.0269in < 0.625in OK


81

4.6. CÁLCULO DE CIMENTACIÓN.

j = 0.874

R=15.486

⁄

Cálculo de la carga total. (Ec 47):

Área de cimentación requerida. (Ec 48):

Longitud de la base de la zapata considerando que la zapata sea cuadrada. Ec 49

√ √

Vuelo (V). (Ec 50):

Esfuerzo flexionante (W). (Ec 51):

⁄

( )

( )

Momento flexionante. (Ec 52):

( )

Peralte (D). (Ec 53):

√

√

( )

( ) √

( )

( )

Para fines de cubrir los esfuerzos que se presenten en el cálculo de zapatas se toma el doble

del peralte “d” y se considera un recubrimiento de zapata de 5cm como mínimo.


82

Peralte total. (Ec 54):

5cm=0.16ft

( )

Cálculo de la distancia D’. (Ec 55):

D’=vuelo-peralte total

D’=1.6571ft-0.4474ft=1.2097ft

Cálculo del cortante. (Ec 56):

( )

V’=1895.22lb

Esfuerzo cortante lineal. (Ec 57):

( ) ⁄

Esfuerzo admisible.

√

√ ⁄ ⁄

Área de acero por flexión. (Ec 58):

( )( )( )

Para ⁄

Número de varillas. (Ec 59):

⁄


83

Cálculo por adherencia. (Ec 60):

∑

( ) ( )

∑ ( ) ( )

⁄

( )( )( ) ⁄

√

√

⁄ ⁄

Cálculo del área de acero por temperatura. (Ec 61):

At= 0.002 L d’

L= ft

d’ = ft

( )( )

Para varilla N°4 ⁄

Numero de varillas. (Ec 62):

Separación entre varillas.


84

CAPITULO 5.- PLANOS Y

ESPECIFICACIONES.

Es este capítulo se muestran los planos de diseño fundamentados en los resultados de

los cálculos del capítulo anterior. Así como también se observa la selección de los

instrumentos requeridos para el proyecto.


85

5.1. DATOS DE DISEÑO.

PRESIÓN DE DISEÑO:

280 PSI

TEMPERATURA DE DISEÑO:

233.2 °F

PRESIÓN DE OPERACIÓN:

250 PSI

TEMPERATURA DE OPERACIÓN:

212 °F

TOLERANCIA POR CORROSIÓN:

0.0625 in.

RADIOGRAFIADO: CUERPO/CABEZAS

SPOT/100%

EFICIENCIA DE JUNTAS: CUERPO/CABEZAS

0.80/1.0

PRESIÓN DE PRUEBA HIDROSTÁTICA:

420 PSI

5.2. DATOS BOQUILLAS Y CONEXIONES.

B-N° Nominal Exterior Interior Tubo

Servicio

N-1 4’’ NOM. CED 40 4.5 4.026 0.237

Entrada de aceite.

N-2 4’’ NOM. CED 40 4.5 4.026 0.237

Salida de agua.

N-3 2’’ NOM. CED 40 2.375 2.067 0.154

Entrada de gas.

N-4 2’’ NOM. CED 40 2.375 2.067 0.154

Salida de gas.

N-5 2’’ NOM. CED 40 2.375 2.067 0.154

Drenaje.

N-6 2’’ NOM. CED 40 2.375 2.067 0.154

Control de nivel.


86

N-7 3/4 ’’ NOM. CED 40 1.050 0.824 0.113

Indicador de nivel.

N-8 3/4’’ NOM. CED 40 1.050 0.824 0.113

Indicador de presión.

N-9 3/4’’ NOM. CED 40 1.050 0.824 0.113

Indicador de temperatura.

SA 8’’ NOM. CED 40 8.625 7.981 0.322

Abertura acceso.

5.3. ESPECIFICACIÓN DE MATERIALES (ASTM).

CUERPO

SA-285-C

CABEZAS

SA-285-C

BRIDAS FORJADAS

A-105

TUBOS

(ASTM) A-106-B

COPLES ROSCADOS

(ASTM) A-105

CODOS FORJADOS

(ASTM) A-234GR.WPV

SOPORTE INTERNO

A-7

REJILLA IRVING

ACERO ESTRUCTURAL

EMPAQUE INTERNO: FLEXIRINGS

POLIPROPILENO

ESPARRAGOS

A-193-B7

TUERCAS

A-194-2H

FALDON Y PLACA BASE A-285-C


87

5.4. LISTA DE PARTES.

DEL ARREGLO GENERAL REFERIDO A LOS PLANOS DWG001 Y DWG002.

MARCA No.

PIEZAS DESCRIPCIÓN MATERIAL USO REV.

1 2

Tapa Semielíptica con 5/8 in. De espesor y 60 in. de diámetro

interior.

SA-285-C Tapa de Cuerpo.

2 1

Cuerpo cilíndrico de tubo sin

costura con diámetro interior de 60

in. y espesor de 5/8 in. Habilitado a longitud de 89.5 in.

SA-285-C Cuerpo

Estructural.

3 1

Cuerpo cilíndrico de tubo sin costura con diámetro interior de 60

in. y espesor de 5/8 in. Habilitado a longitud de 40 in.

SA-285-C Cuerpo

Estructural.

4 1

Soporte de cuerpo cilíndrico tipo faldón, con diámetro interior de

61.25 in. Y espesor de 5/8 in. Habilitado a una longitud de 98.05

in.

A-285-C Soporte

Estructural.

5 1

Brida soldable con diámetro interior

de 60 in. Compuesta de brida macho-hembra.

A-105

Unión inferior del

cuerpo empacado.

6

De

acuerdo al

volumen

de la zona

empacada

Silletas como elementos filtrantes de tamaños y formas variadas, no

mayores a 2 in² de área.

Fibra de

Vidrio

Elementos

Filtrantes.

7 2

Rejillas con diámetro nominal de

60 in. Y paso de ½ in.

Acero al carbón

A-36

Soporte de los elementos

filtrantes.

N-1

N-2

1

1

Boquilla con diámetro nominal de 4 in. Compuesta de tubo con

diámetro nominal de 4in. Cedula

40. Y brida R.F.W.N. diámetro nominal de 4 in. Y capacidad de

150 #.

A-105

N-1.- Entrada de Aceite.

N-2.- Salida de Aceite.


88

N-3

N-4

N-5

N-6

1

1

1

2

Boquilla con diámetro nominal de 2

in. Compuesta de tubo con diámetro nominal de 2in. Cedula

40. Y brida R.F.W.N. diámetro

nominal de 2 in. Y capacidad para 150 #.

A-105

N-3.- Entrada de

Gas.

N-4.- Salida de Gas.

N-5.- Drenaje.

N-6.- Control del nivel.

N-7

N-8

N-9

2

1

1

Boquilla con diámetro nominal de 3/4 in. Compuesta de tubo con

diámetro nominal de 3/4in. Cedula

40. Y Cople roscado con diámetro nominal de 3/4 in. Y capacidad para

300 #.

A-105

N-7.-Indicador de

Nivel.

N-8.- Indicador de

Presión.

N-9.- Indicador de Temperatura.

N-10 1

Brida soldable con diámetro interior

de 60 in. Compuesta de bisagra y brida macho-hembra.

A-105 Registro Pasa

hombre.

5.5. INSTRUMENTACIÓN.

Es el grupo de elementos que sirven para medir, controlar o registrar variables de un proceso

con el fin de optimizar los recursos utilizados en éste.

En otras palabras, la instrumentación es la ventana a la realidad de lo que esta sucediendo en

determinado proceso, lo cual servirá para determinar si el mismo va encaminado hacia donde

deseamos, y de no ser así, podremos usar la instrumentación para actuar sobre algunos

parámetros del sistema y proceder de forma correctiva.

5.5.1. INDICADOR DE NIVEL.

La selección del indicador de nivel se hizo consultando el catálogo de productos OHMART

VEGA, del cual se eligió el modelo VEGA PULS 81 “PULSE RADAR”. De la serie 50. Ya que éste

se puede utilizar para líquidos y sólidos, altas temperaturas y presiones, vacío, polvos, vapor y

productos agresivos.

Debe notarse en los planos de diseño que la boquilla asignada para el indicador de nivel es la

N-7.


89

5.5.2. INDICADOR DE PRESIÓN.

La selección del indicador de presión (manómetro) se hizo con base a la presión de prueba

hidrostática que es de 420 PSI, ya que ésta es la máxima soportada por el recipiente.

Consultando el catálogo de productos SIMCA se eligió como adecuado el MANÓMETRO DE

PROCESO O PATRÓN “METRON”.

5.5.3. INDICADOR DE TEMPERATURA.

La selección del indicador de temperatura se realizó basándose en la temperatura de diseño

(233.2°F), ya que ésta es la máxima soportada por el equipo.

El catalogo consultado del cual se eligió un indicador adecuado para las necesidades del equipo

es el SIMCA para TERMÓMETROS BIMETÁLICOS “METRON”.

5.6. PLANOS.

61.25

2.00

12.5

089

.50

2.00

29.6

1

98.0

532

.00

33.3

08.

70

SA

N-2

N-5

N-3

N-10

Detalle A

6

5

7

7

15°30° 23° 22°

45°

90°

90°

45°

180°

270°

N-3

N-1

N-5N-2

SA

N-7

N-6N-9

N-8

N-4

N-10

10.0

0

12.0

410

.00

10.0

0

5/8'' TUBO 60''n CED. STD.

MQN-3

N-7N-6 N-7N-6

N-4

N-1

Detalle B

1

2

3

4 Detalle C

0°

90°

CUADRO DE BOQUILLAS Y CONEXIONES

ESPECIFICACION DE MATERIALES (ASTM)

NOTAS GENERALES

DISEÑO Y FABRICACIÓN DE ACUERDO AL CÓDIGO ASME SECCIÓN VIII DIVISIÓN 1 ÚLTIMA EDICIÓN Y ADENDAS.LOS BARRENOS DE LAS BRIDAS QUEDARÁN SIMÉTRICAMENTE DISTRIBUIDOSCON RESPECTO A LOS EJES NORMALES DEL EQUIPO SIN COINCIDIR CON ELLOS.PINTURA: LIMPIEZA MECÁNICA Y UNA MANO EXTERIOR DE PINTURAANTICORROSIVA PRIMER.LAS BOQUILLAS SE PROTEGERÁN CON TAPAS DE MADERA ANTES DE EMBARCAR EL EQUIPO.PESO VACÍO: 6742 lb UNIDADES REQUERIDAS: (1)

DATOS DE DISEÑO

N-9N-8

MCA CANTIDAD TIPO RANGO MATERIAL SERVICION-1 4" 1 R.F.W.N 150# A-105 ENTRADA DE ACEITEN-2 4" 1 R.F.W.N 150# A-105 SALIDA DE ACEITEN-3 2" 1 R.F.W.N 150# A-105 ENTRADA DE GASN-4 2" 1 R.F.W.N 150# A-105 SALIDA DE GASN-5 2" 1 R.F.W.N 150# A-105 DRENAJEN-6 2" 2 R.F.W.N 150# A-105 CONTROL DE NIVELN-7 3/4" 2 COPLE ROSCADO 300# A-105 INDICADOR DE NIVELN-8 3/4" 1 COPLE ROSCADO 300# A-105 INDICADOR DE PRESIÓNN-9 3/4" 1 COPLE ROSCADO 300# A-105 INDICADOR DE TEMPERATURASA 8" 1 A-105 ABERTURA DE ACCESO

N-10 60" 1 R.F.W.N 150# A-105 REGISTRO PASA HOMBRE

PRESIÓN DE DISEÑO 280 PSI

TEMPERATURA DE DISEÑO 233.2 °F

PRESIÓN DE OPERACIÓN 250 PSI

TEMPERATURA DE OPERACIÓN 212 °F

TOLERANCIA POR CORROSIÓN 0.0625 in

RADIOGRAFIADO: CUERPO/CABEZAS SPOT/100%

EFICIENCIA DE JUNTAS: CUERPO/CABEZAS 0.80/1

PRESIÓN DE PRUEBA HIDROSTÁTICA 420 PSI

CUERPO SA-285-CCABEZAS SA-285-C

BRIDAS FORJADAS A-105TUBOS A-106-B

COPLES ROSCADOS A-105CODOS FORJADOS A-234GR.WTVSOPORTE INTERNO A-7

REJILLA IRVING MALLA SOLDADAEMPAQUE

ENTERNO:FLEXIRINGS POLOPROPILENOESPARRAGOS A-193-B7

TUERCAS A-194-2HEMPAQUE PARA BRIDAS JM-60 ó GARLOCK7021FALDON Y PLACA BASE SA-285-C

6

D

C

B

A

E

F

G

H

E

A

B

C

D

F

54321 7 8 9 10 11 12

1 2 3 4 5 6 7 8

G

ENSAMBLE TORRE EMPACADA

WEIGHT:

A2

SHEET 1 OF 1SCALE:1:50

DWG NO.

TITLE:

REVISION: CDO NOT SCALE DRAWING

MATERIAL:

DATESIGNATURENAME

DEBUR AND BREAK SHARP EDGES

FINISH:UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:DIMENSIONS ARE IN INCHES.SURFACE FINISH:TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR:

Q.A

MFG

APPV'D

CHK'D

DRAWN

6742 LB.

DWG001

JOSÉ LUIS MORA


90

CAPITULO 6.- CONCLUSIONES.


91

En este trabajo se diseñó una torre empacada que satisficiera las necesidades que se tienen en

México para este tipo de dispositivos mecánicos, de aquí la importancia de elaborar trabajos

como este dando una guía a los compañeros que continúan estudiando la carrera de ingeniería

mecánica. El diseño se realizó aplicando los conocimientos y la práctica adquirida durante la

licenciatura, en particular lo aprendido en materias como son diseño mecánico, mecánica de

materiales, ciencia de los materiales y termodinámica, por mencionar algunas; además de

seguir las normas vigentes e internacionales cumpliendo los estándares requeridos en éstas.

De acuerdo a los resultados obtenidos y a los planos generados por los integrantes del equipo

de trabajo, se puede observar que la torre empacada cumple con los requerimientos

establecidos como datos de diseño, por lo cual se concluye que está diseñada óptimamente,

soportando las presiones y temperaturas de operación. También se calculó y determino el tipo

de cimentación que requiere, su instalación y la selección de los múltiples dispositivos que se

requieren para el correcto funcionamiento de esta torre empacada, lo cual hace de esta tesis un

trabajo muy completo.

Por lo anterior, consideramos que este trabajo es una guía que permite a cualquier ingeniero

obtener información sobre el diseño de este tipo de recipientes de proceso sujetos a presión,

ayudando al desarrollo de proyectos similares que en este momento son muy requeridos en el

país, ya que es muy costoso exportar la tecnología de otras partes del mundo y muchas veces

no satisface las necesidades que aquí se tienen.

Mario Alberto Córdova Chablé.


92

La importancia de la ingeniería en México radica en que el ingeniero requiere nuevas

capacidades y destrezas en la procuración y apropiación de conocimientos nuevos, tanto

técnicos como científicos como de gestión, creatividad y originalidad en el abordaje de los

problemas del país, además de excelencia en los métodos. Por lo que la importancia de la

ingeniería mecánica reside en su potencial como forjador del país que se desea en un futuro.

Por esto y más el objetivo del presente trabajo ha sido alcanzado: el diseño de una torre

empacada mediante la aplicación de las normas internacionales y materias como: mecánica de materiales, diseño mecánico, ciencia de los materiales, entre otras.

En este informe, se han resaltado los conceptos básicos de diseño para las torres empacadas

comúnmente empleados, en el capítulo I.

La importancia de cada una de las diferentes tapas de estos recipientes mecánicos, boquillas,

bridas, y los tipos más comunes de soldadura usada en estos tipos de dispositivos mecánicos.

En el capítulo II el tema de la normatividad ha sido abordado con una mayor profundidad, se resalta la importancia de la seguridad y las características de cada una de las secciones del

código ASME.

Se resaltan los diversos factores que deben considerarse para el correcto diseño de una torre

empacada, esto ha sido efectuado en el capítulo 3.

En el capítulo 4 se desarrolla la metodología para el diseño mecánico de esta torre empacada.

Finalmente en el capítulo V se muestran los planos de arreglo general y a detalle para una

mejor comprensión del diseño.

Es importante mencionar que este diseño se limita a las condiciones de operación y al lugar de

instalación, además de la profundidad de cada uno de los temas involucrados en esta tesis, por

lo que este trabajo puede servir de guía y de referencia para las personas interesadas en

conocer acerca de estos tipos de recipientes sometidos a presión.

Dante Gómez Villanueva


93

La continua necesidad nacional de desarrollar avances en ingeniería, con el fin de establecer

un panorama autosuficiente e independiente de fuentes extranjeras, implica la continua y ardua

colaboración y compromiso de los ingenieros. Ya que deben investigar, desarrollar y aplicar

todos los conocimientos posibles para generar ingeniería de primer nivel y que contribuya tanto

a la satisfacción personal, como al ideal común del pueblo mexicano.

Es por eso que en este trabajo se toma como consideración esa propuesta de desarrollo. Sin

embargo es necesario delimitar adecuadamente la actividad que se realizara ya que existen un

sinfín de estudios, proyectos, investigaciones, trabajos, etc. Que pueden realizarse a nivel de

ingeniería.

En el tema de los recipientes de proceso, para el caso específico de las torres empacadas

consideramos necesario desarrollar un trabajo como el presente, donde como punto principal se

cumplió con las necesidades del país en este tipo de dispositivos, basándonos en las normas

vigentes en el territorio nacional así como las normas internacionales.

Cabe mencionar que es necesario tener conocimientos en el área de la termodinámica,

hidráulica, mecánica de materiales, diseño de elementos mecánicos, entre otros para poder

desarrollar completa y adecuadamente un proyecto como éste. Así también se cumple con otra

función que es la de mostrar al alumno de ingeniería, el empleo de las distintas materias vistas

en la licenciatura y el desarrollo de proyectos prácticos que encausen al individuo a formar

parte activa de la sociedad mexicana, como profesional comprometido con el desempeño

óptimo de su grado académico.

La torre empacada que se diseñó cumple por consiguiente con los requerimientos establecidos

durante el diseño, tales como: selección de los dispositivos mecánicos con los cuales funciona,

presiones y temperaturas de operación, entre otros, también se muestran los planos del equipo

para una observación más práctica, incluyendo detalles del mismo, así mismo el cálculo de la

cimentación y soporte de la torre fue realizado en función de la zona geográfica donde pudiese

colocarse el dispositivo mecánico, logrando con ello mostrar puntualmente donde se

establecería y funcionaría el equipo.

Por todo lo anterior se considera el presente, un trabajo completo y puntual. Proponiéndose

como base para alumnos e ingenieros que quisieran guiarse de él obteniendo la información

necesaria de datos teóricos, cálculo, análisis, selección, planos e inclusive bibliografía

consultada, con el propósito de desarrollar de proyectos similares.

José Luis Tejeda Hernández.


94

GLOSARIO.


95

Barreno.- Agujero en piezas solidas generado por medio de una broca.

Boquilla.- Orificio de salida de un recipiente por medio de un pequeño pedazo de tubería.

Brida.- Pieza metálica que abraza a un tubo y que por medio de tornillos u otro método, hace

que esta esté fija a otro tubo.

Caldera.- Recipiente que sirve para calentar agua por medio de un combustible, que luego se

distribuirá por los emisores mediante una red de tuberías.

Carga.- Es la acción de una fuerza que actúa sobre un objeto.

Cimentación.- Es el conjunto de elementos estructurales que tienen como objetivo transmitir

las cargas de una edificación o elementos mecánicos, de tal forma que la carga se distribuya

para no exceder la carga que soporta el suelo (en suelos blandos la cimentación suele ser más

grande en dimensiones que el objeto soportado)

Codo.- Accesorios utilizados para cambiar la dirección del flujo en tuberías, los ángulos de

inclinación más comúnmente empleados son de 90° y 45°.

Cople.- Accesorios utilizados para la unión de dos tuberías, los cuales ejercen fuerza de unión

en la circunferencia de ambos tubos evitando su separación.

Corrosión.- Es el deterioro de un material por una reacción química debido principalmente al

ambiente y la humedad.

Deformación plástica.- Es aquella deformación irreversible en la cual el material no regresa

a su forma o dimensiones originales.

Elasticidad.- Es la propiedad mecánica de los materiales a sufrir deformaciones reversibles

cuando se les aplican fuerzas exteriores.

Empaque.- Material utilizado en la unión de elementos mecánicos con la finalidad de evitar

fugas en un sistema.

Esfuerzo.- Es la carga aplicada sobre un elemento con área definida, el cual provoca una

deformación.

Esparrago.- Se refiere a un tornillo sin cabeza, el cual tiene cuerda en toda la superficie del

cilindro.

Espesor nominal.- Se refiere al espesor existente comercialmente, ya sea espesor de placa o

tubería, el espesor calculado debe aproximarse a este tomando en cuenta lo más conveniente

para el diseño.

Falla.- Es una condición no deseada que hace que el elemento estructural no desempeñe una

función para la cual existe.

Fatiga.- Se presenta en elementos mecánicos cuando al someterlos a esfuerzos repetidos

disminuye la resistencia mecánica de los materiales.

Filete.- Se refiere a la soldadura en línea recta.

Fluido.- Es una sustancia liquida ya sea de alta o baja viscosidad, que fluye y es deformable

con cualquier fuerza tangencial.

http://es.mimi.hu/hogar/tornillo.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Combustible

http://es.wikipedia.org/wiki/Tuber%C3%ADa


96

Fractura.- Es cuando por una ruptura se pierde continuidad en la superficie de un material.

Junta.- Elemento colocado en la unión de dos elementos mecánicos que evita fugas del

sistema, eficiente en manejo de altas presiones.

Manómetro.-Aparato que sirve para medir la presión de fluidos contenidos en recipientes a

presión.

Micrómetro.- Instrumento de medición de precisión.

Miscible.- Se refiere a la propiedad de algunos líquidos para mezclarse en cualquier

proporción, formando una solución homogénea.

Módulo elástico.- Tipo de constante elástica que relaciona una medida relacionada con la

tensión y una medida relacionada con la deformación de un material.

Momento.- Tendencia al giro de un elemento, el cual tiene un punto fijo y se aplica una fuerza

a una distancia determinada de dicho punto.

Peralte.- Se refiere a la altura de un elemento estructural, por ejemplo de una viga, una

zapata, entre otros elementos estructurales.

Perno.- Pieza cilíndrica de diámetro constante, el cual en un extremo tiene una cabeza y el

otro extremo la forma adecuada para una tuerca, chaveta o remache

Punto de cedencia.- Es el punto donde debido a la carga aplicada el incremento de la

deformación es excesivo, donde sí se excede este límite se produce una deformación plástica.

Soldadura.- La soldadura es un proceso de fabricación en donde se realiza la unión de dos

materiales, (generalmente metales o termoplásticos), usualmente logrado a través de la

coalescencia (fusión), en la cual las piezas son soldadas fundiendo ambas y pudiendo agregar

un material de relleno fundido (metal o plástico) que al enfriarse se convierte en una unión fija.

Tolerancia.- Es el margen de error permitido en la fabricación o unión de elementos.

Válvula.- Dispositivo mecánico mediante el cual se puede iniciar, regular o evitar el paso de un

fluido.

Varilla.- Barra cilíndrica de acero que trabaja en conjunto con concreto para soportar esfuerzos

de flexión.

Zapata.- Tipo de cimentación superficial utilizada en terrenos homogéneos de resistencia

media o alta.

http://es.wikipedia.org/wiki/Instrumento_de_medici%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Constante_el%C3%A1stica

http://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_de_fabricaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Metal

http://es.wikipedia.org/wiki/Termopl%C3%A1stico

http://es.wikipedia.org/wiki/Coalescencia

http://es.wikipedia.org/wiki/Fusi%C3%B3n_(cambio_de_estado)

http://es.wikipedia.org/wiki/Fusi%C3%B3n_(cambio_de_estado)


97

BIBLIOGRAFÍA.

Bibliografía consultada para la elaboración del presente trabajo de investigación y diseño.

1. Manual de recipientes a presión; Ing. Juan Manuel León Franco; Edición 2001.

2. Manual de recipientes a presión, diseño y calculo; F. Megyesy, Eugen; Limusa; Séptima edición, 1992.

3. Manual de construcción en acero, diseño por esfuerzos permisibles; IMCA Instituto Mexicano de la Construcción en Acero; Limusa; Cuarta edición.

4. ASME Pressure Vessels Section VIII. División 1, 2009

5. ASME Pressure Vessels Section VIII. División 2, 2009

6. ASME Pressure Vessels. The ASME Code Simplified. Eight Edition.

7. http://www.filtrosbmarten.com/filtros_simples.html

8. http://www.evisos.com

9. Tesis; Manuel Robledo Juan Carlos; Octubre 2007.


98

APÉNDICES


99

APÉNDICE A ESPECIFICACIÓN DE MATERIALES EN ACERO AL CARBÓN EN FUNCIÓN DE LA

TEMPERATURA DE TRABAJO


100

APÉNDICE B

GRÁFICA PARA OBTENER EL TAMAÑO ÓPTIMO DEL RECIPIENTE


101

APÉNDICE C

PESO DE CASCOS Y CABEZAS


102

APÉNDICE D

VOLUMEN DE CASCOS Y CABEZAS


103

APÉNDICE E

DIMENSIONES DE BRIDA


104

APÉNDICE F

PROPIEDADES DE LOS TUBOS


105

APÉNDICE F (CONTINUACIÓN)



106




107




108

APÉNDICE G

VARILLAS

No. Varilla Diámetro nominal

D2

[cm]

Área nominal As

[cm2]

Perímetro Nominal

[cm]

Peso

[Kg/m]

2 0.64 (1/4”) 0.32 2.01

0.251

2.5 0.79 (5/16”) 0.49 2.48

0.384

3 0.95 (3/8”) 0.71 2.98

0.557

4 1.27 (1/2”) 1.27 3.99

0.996

5 1.59 (5/8”) 1.99 5

1.560

6 1.91 (3/4”) 2.87 6

2.250

8 2.54 (1”) 5.07 7.98

3.975

10 3.18 (1 ¼”) 7.94 9.99

6.225

12 3.81 (1 ½”) 11.40 11.97

8.938


109

APÉNDICE H

CONSTANTES DE FLEXIÓN PARA VIGAS RECTANGULARES

f’ [kg/cm]

n f c =

0.48 f’c

[kg/cm²]

f s= 1,265 kg/cm2 f s=1,400 kg/cm2

k j R p k j R P

125 12 56 0.347 0.884 8.589 0.0077 0.324 0.892 8.092

0.0065

140 12 63 0.374 0.875 10.308 0.0093 0.351 0.883 9.763

0.0079

180 10 81 0.390 0.870 13.742 0.0125 0.367 0.878 13.050

0.0106

210 9 84 0.401 0.866 16.322 0.0149 0.377 0.874 15.486

0.0126

250 9 118 0.44 0.852 21.184 0.0197 0.419 0.860 20.179

0.0168

300 8 185 0.461 0.846 26.325 0.0246 0.436 0.855 25.105

0.0210

350 7 187 0.465 0.845 30.845 0.0289 0.440 0.853 29.463

0.0247


110

APÉNDICE I

VELOCIDADES MÁXIMAS DEL VIENTO


111

APÉNDICE J

REGIONALIZACIÓN SÍSMICA DE LA REPUBLICA MEXICANA


112

APÉNDICE K

DISEÑO DE TORRES ALTAS, CARGAS SÍSMICAS (TEMBLOR)


113

APÉNDICE L

MÍNIMA EXTENSIÓN SUGERIDA PARA LOS REGISTROS


114

APÉNDICE M

TABLA DE RESULTADOS DE BOQUILLAS

B-N° Ø Nominal AREQ A1 A2 A3 A4 A5 AREV AREF. REAL NEC. b Dint. anillo Dext. anillo

N-1 4´´ NOM. CED. 40 2.4288858 0.0873642 0.2414082 0.280845 0.03045025 0.03045025 0.6705179 1.7583679 2.81338864 4.5625 7.37588864

N-2 4´´ NOM. CED. 40 2.4288858 0.0873642 0.2414082 0.280845 0.03045025 0.03045025 0.6705179 1.7583679 2.81338864 4.5625 7.37588864

N-3 4´´ NOM. CED. 40 1.2470211 0.0448539 0.0929544 0.11858 0.00837225 0.00837225 0.2731328 0.9738883 1.55822128 2.4375 3.99572128

N-4 2´´ NOM. CED. 40 1.2470211 0.0448539 0.0929544 0.11858 0.00837225 0.00837225 0.2731328 0.9738883 1.55822128 2.4375 3.99572128

N-5 2´´ NOM. CED. 40 1.2470211 0.0448539 0.0929544 0.11858 0.00837225 0.00837225 0.2731328 0.9738883 1.55822128 2.4375 3.99572128

N-6 2´´ NOM. CED. 40 1.2470211 0.0448539 0.0929544 0.11858 0.00837225 0.00837225 0.2731328 0.9738883 1.55822128 2.4375 3.99572128

N-7 3/4 ´´ NOM. CED. 40 0.4971192 0.0320292 0.0450418 0.063845 0.00255025 0.00255025 0.1460165 0.3511027 0.56176432 1.1125 1.67426432

N-8 3/4´´ NOM. CED. 40 0.4971192 0.0320292 0.0450418 0.063845 0.00255025 0.00255025 0.1460165 0.3511027 0.56176432 1.1125 1.67426432

N-9 3/4´´ NOM. CED. 40 0.4971192 0.0320292 0.0450418 0.063845 0.00255025 0.00255025 0.1460165 0.3511027 0.56176432 1.1125 1.67426432

SA 8´´ NOM. CED. 40 4.8149373 0.1731877 0.4648392 0.51842 0.06734025 0.06734025 1.2911274 3.5238099 5.63809584 8.6875 14.3255958

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