CODIGO ASME

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    20-Apr-2017

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  • VIII.- DISEO Y ANLISIS ESTRUCTURAL

    DE RECIPIENTES A PRESINhttp://libros.redsauce.net/

    Un equipo generador de vapor comprende un sistema de componentes a presin, desde tubos de pe-

    queo dimetro, hasta grandes tuberas y enormes recipientes que pueden alcanzar pesos del orden de

    1.000 toneladas. Un generador de vapor grande, que quema combustibles fsiles en una planta termoe-

    lctrica, puede llegar a tener una altura del orden de 90 m sobre el nivel del suelo, y requiere una estruc-

    tura soporte de acero, comparable a la de un edificio de 30 plantas.

    Para garantizar la fiabilidad de todos los componentes y de los elementos estructurales, se precisa

    un anlisis completo del diseo de todos esos componentes, tanto de los integrados en las partes a pre-

    sin y en las partes no presurizadas, como de sus respectivas estructuras soporte.

    VIII.1.- DISEO DE RECIPIENTES A PRESIN

    Las unidades generadoras de vapor utilizan recipientes a presin que operan a presiones que alcan-

    zan 4000 psi (275,8 bar) y temperaturas que superan los 1050F (566C) .

    El mtodo de diseo y anlisis de las tensiones en: calderines de vapor, colectores de sobrecalenta-

    dores y recalentadores, precalentadores, condensadores, evaporadores, reactores presurizados y reacto-

    res nucleares, etc., consiste en compendiar las tensiones en otras que incluyan, mediante los adecuados

    coeficientes de seguridad, parmetros desconocidos, como:

    - La redistribucin local de tensiones debida a deformaciones permanentes

    - La variabilidad de las propiedades mecnicas

    - El conocimiento inexacto de las cargas

    - La evaluacin imprecisa de diversas tensiones

    El anlisis y diseo de recipientes y componentes a presin complejos, como puede ser la tapa de la

    vasija de un reactor el caldern de una caldera que quema combustible fsil, requieren de mtodos muy

    sofisticados. En zonas con discontinuidades como aberturas de toberas y soportes, se aplica la teora de

    la elasticidad.

    En USA los Cdigos de Construccin de Recipientes a Presin establecen las normas de seguridad

    para la construccin de recipientes, siendo el ms utilizado el Cdigo ASME, para Calderas y Recipien-

    tes a Presin, que comprende entre otros:

    VIII.-249

  • Calderas para plantas energticas, Seccin I

    Especificaciones de materiales, Seccin II

    Componentes de plantas energticas nucleares, Seccin III

    Ensayos no destructivos

    Reglas recomendadas para el cuidado y operacin de calderas, Seccin VI

    Recipientes a presin (no nucleares) y especificaciones en tanques, Seccin VIII, divisin I

    Cualificacin de soldaduras con materiales especiales (aleaciones), Seccin IX

    Bridas y accesorios para tuberas

    Tuberas para plantas qumicas y refineras

    Vlvulas bridadas, roscadas y para soldar

    Condiciones estacionarias.- Una tensin permanente elevada, como la originada por la aplica-

    cin de una presin en un recipiente dctil, puede provocar

    - Distorsin del material del recipiente- Aparicin de fugas en los accesorios- Fallo del material

    Las propiedades de los materiales a considerar inicialmente, son:

    - El lmite elstico, que define la presin que produce la mxima distorsin como deformacin macroscpica

    - La resistencia a la traccin, que determina la tensin de rotura

    Las normas del Cdigo ASME para el diseo de los recipientes a presin, establecen los factores de

    seguridad basados en los siguientes parmetros:

    - Calidad del material correspondiente- Control de la fabricaci n del material- Anlisis del diseo empleado con el material

    Condiciones transitorias.- Si las tensiones aplicadas son peridicas (rgimen transitorio) apare-cen fenmenos de fatiga por lo que hay que determinar el tiempo que, el componente considerado, puede

    resistir a estas tensiones. En los generadores de vapor, los recipientes disponen de tubuladuras, sopor-

    tes y bridas para conexiones, que pueden originar cambios bruscos en la seccin transversal de los reci-

    pientes, introduciendo tensiones irregulares locales y puntuales.

    Para determinar cundo sobreviene un fallo bajo la accin de tensiones multiaxiales, se utilizan di-

    versas teoras de resistencia de materiales, fundamentadas en grandes bases de datos confeccionadas

    con los resultados obtenidos en ensayos de traccin y compresin.

    Las teoras utilizadas son:

    De la tensin principal mxima Del esfuerzo cortante mximo De la energa de distorsin

    Las tensiones permisibles en un recipiente a presin, se determinan considerando la naturaleza de

    la carga y la respuesta del recipiente a la misma; la interpretacin de las tensiones determina su anli-

    sis y las magnitudes permisibles en las mismas.

    Teora de la tensin mxima.- Considera que el fallo se produce cuando una de las tres tensiones

    principales alcanza el lmite de fluencia:

    = yp

    Esta teora es la ms simple; con un determinado coeficiente de seguridad conduce a diseos fiables

    de recipientes a presin; se utiliza en el Cdigo ASME y se aplica en las secciones:

    I.- Calderas para plantas energticas

    III.- Componentes de plantas energticas nucleares, divisin 1

    VIII- Recipientes a presin, divisin 1

    VIII.-250

  • Teora del esfuerzo cortante mximo.- Considera que el fallo tiene lugar en un elemento cuando el es-

    fuerzo cortante mximo alcanza el valor del esfuerzo cortante correspondiente al lmite elstico del ma-

    terial en un ensayo de traccin.

    El esfuerzo cortante mximo es igual a la mitad de la diferencia entre las tensiones principales

    mxima y mnima:

    =

    mx - mn2

    = yp

    2 2 = mx - mn = yp = Intensidad de la tensin

    La teora del esfuerzo cortante mximo predice la deformacin plstica de un material dctil, con

    ms exactitud que la teora de la tensin mxima, y se utiliza por el Cdigo ASME, en las secciones:

    III.- Componentes de plantas energticas nucleares, divisin 1, subsecciones NB, NC-3200 y NE-3200

    VIII.- Recipientes a presin, divisin 2

    Teora de la energa de distorsin.- Considera que la deformacin plstica tiene lugar cuando la ener-ga de distorsin en un punto de un elemento, es igual a la energa de distorsin de una probeta uniaxial,

    en el punto en que comienza a deformarse, (criterio de von Mises). Aunque esta teora es la ms acepta-

    ble y exacta, es la ms engorrosa de utilizar y la que no est asumida por ningn Cdigo como directiva

    para el diseo de recipientes a presin.

    VIII.2.- CLASIFICACIN DE LAS TENSIONES

    En los recipientes a presin, las tensiones se clasifican en: primarias, secundarias y de pico.

    Tensiones primarias.- Se desarrollan por cargas mecnicas, que pueden provocar un fallo macros-

    cpico en el recipiente a presin; estas tensiones se dividen en los siguientes esfuerzos:

    - De membrana primarios generales PM- De membrana primarios locales PL

    - Primarios de flexin PB

    Una tensin primaria es aquella en la que si el material se deforma, tanto plstica como elstica-

    mente, la tensin no se reduce en ningn caso, como es el caso de la producida por la presin en el inte-

    rior de una caldera de vapor en funcionamiento. Cuando se sobrepasa el lmite elstico del material del

    recipiente, aparece una distorsin macroscpica permanente y puede ocurrir el fallo.

    Tensiones secundarias.- Originadas por

    cargas mecnicas expansiones trmicas diferenciales

    , se deben a las restricciones

    impuestas por los componentes contiguos, estando restringidas en determinadas reas localizadas

    del recipiente a presin.

    Una deformacin plstica local puede reducir las tensiones secundarias; aunque estas tensiones no

    afectan a la resistencia esttica del recipiente frente a la rotura, s se deben tener en cuenta para esta-

    blecer el tiempo de vida de resistencia a la fatiga.

    Tensiones de pico.- Se concentran en zonas muy localizadas, en las que se presentan cambios geo-

    mtricos bruscos; con estas tensiones no se presentan deformaciones apreciables del recipiente, pero

    son muy importantes para evaluar su tiempo de resistencia a la fatiga.

    Requisitos para el anlisis y el diseo.- Los lmites permisibles en el diseo de recipientes a presin, para tensiones y los requisitos de anlisis varan mucho segn el Cdigo empleado.

    VIII.-251

  • En la Seccin I del Cdigo ASME, el espesor mnimo de la pared del recipiente se determina eva-

    luando la tensin general primaria de membrana, limitada al esfuerzo permisible de tensin S en el ma-

    terial, calculada a la temperatura de diseo del recipiente.

    Las normas de esta seccin se establecen para asegurar que las tensiones secundaria y de pico se

    minimicen, por lo que no se requiere un anlisis detallado de estas tensiones. El espesor mnimo de pared

    requerido en el recipiente a presin, se fija con la tensin mxima en cada direccin.

    La Seccin III, divisin 1, permite combinar las tensiones principales de membrana y primarias de

    flexin, hasta un lmite de:

    - 1,50 S para la temperatura a la que el lmite elstico alcanza la tensin permisible

    - 1,25 S para la temperatura a la que la fluencia y la rotura alcanzan la tensin permisible

    El Cdigo ASME, Seccin VIII, divisin 2, proporciona la formulacin y reglas, para configuraciones

    ordinarias de virolas y fondos. Para geometras complejas incluye un anlisis detallado de tensiones, con

    condiciones de cargas anormales y cclicas.

    Tabla VIII.1.- Intensidad de la tensin admisible Sm, funcin del lmite elstico del material Sy de la resistencia a la traccin Su

    Valores Base de perm