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Materiales Mas Utilizados Para Recipientes a Presion
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Ing. Arturo Gamarra Chinchay
MATERIALES UTILIZADOS EN RECIPIENTES A PRESION
Ing. Arturo Gamarra Chinchay
Materiales utilizados en recipientes a presión
Fabricados de acuerdo al Código ASME Sección VIII División 1. Código de Calderos y Recipientes a Presión – Reglas para la Construcción de Recipientes a Presión1.(1) El alcance del ASME Sección VIII es para recipientes que tengan una presión interna o externa mayor o igual a 15 psi.
Ing. Arturo Gamarra Chinchay
A continuación se enumeran algunos códigos que contemplan el diseño de sistemas de tuberías
TUBERÍA
ASME B31.1 - Tuberías en plantas de generaciónASME B31.3 - Plantas de procesoASME B31.4 - Transporte de hidrocarburos líquidos, gas petrolero, Andhydroys Anmonia y AlcoholesASME B31.5 - Tuberías para refrigeraciónASME B31.8 - Conducciones de gasASME B31.9 - Tuberías para edificios de servicios
Una tubería es un conducto que cumple la función de transportar agua u otros fluidos. Se suele elaborar con materiales muy diversos. Cuando el líquido transportado es petróleo, se utiliza la denominación específica de oleoducto. Cuando el fluido transportado es gas, se utiliza la denominación específica de gasoducto. También es posible transportar mediante tubería o nada materiales que, si bien no son un fluido, se adecúan a este sistema: hormigón, cemento, cereales, documentos encapsulados, etcétera.
Hay tres métodos de fabricación de tubería.Sin costura (sin soldadura). La tubería es un lingote cilíndrico el cual es calentado en un horno antes de la extrusión. En la extrusión se hace pasar por un dado cilíndrico y posteriormente se hace el agujero mediante un penetrador. La tubería sin costura es la mejor para la contención de la presión gracias a su homogeneidad en todas sus direcciones. Además es la forma más común de fabricación y por tanto la más comercial.Con costura longitudinal. Se parte de una lámina de chapa la cual se dobla dándole la forma a la tubería. La soladura que une los extremos de la chapa doblada cierra el cilindro. Por tanto es una soldadura recta que sigue toda una generatriz. Variando la separación entre los rodillos se obtienen diferentes curvas y con ello diferentes diámetros de tubería. Esta soldadura será la parte más débil de la tubería y marcará la tensión máxima admisible.Con soldadura helicoidal (o en espiral). La metodología es la misma que el punto anterior con la salvedad de que la soldadura no es recta sino que recorre la tubería siguiendo la tubería como si fuese roscada.
Ing. Arturo Gamarra Chinchay
Cubre los sistemas de tubería para gas combustible incluyendo el gas natural, fabricación de gas licuado del petróleo (GLP), mezclas de aire con altos limites de combustible, GLP en fase gaseosa o mezcla de esos gases. Esos sistemas de tuberías, en las calderas, se extienden para disminuir el consumo métrico establecido (o punto de libertad) y también incluyendo la primera presión en la válvula de contracorriente de la utilización de gas.
ASME - B31: CÓDIGO PARA TUBERÍAS A PRESIÓN
El ASME- B31: Es un Código del ASME que da respuesta a los requisitos para sistemas de tuberías a presión, está compuesto por siete secciones. Cada sección describe: diseño, materiales, fabricación, pruebas e inspección de tuberías, así:
Cubre la potencia y los sistemas auxiliares de servicio de estaciones de generación eléctrica, plantas industriales e institucionales, plantas térmicas centrales y regionales y sistemas térmicos de distrito.
ASME: B31.1: TUBERÍAS DE POTENCIA PARA LA INDUSTRIA TERMOELÉCTRICA.
ASME-B31.2: TUBERÍAS PARA GAS COMBUSTIBLE INCLUIDAS LAS DE GAS NATURAL, GLP*
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Cubre la aplicaciónde las tuberías de refrigeración y sales que trabajan a temperaturas por debajo de –196 °C (-320 °F).
Cubre toda la tubería del procesamiento o manejo químico, petróleo y productos derivados. Ejemplos: Plantas químicas, refinerías de petróleo, terminales de carga, plantas de procesamiento de gas natural (incluyendo auxiliares de licuefacción de gas natural), plantas compuestas, tanques de campo. La aplicación de esta sección se da en sistemas de tubería para manejo de fluidos abarcando sólidos disueltos y en soluciones acuosas, y todo tipo de servicios incluso crudos, intermedios y químicos terminados, petróleo y derivados del petróleo, gas, aire, vapor, agua y refrigerantes excepto especificaciones excluidas.
Cubre las tuberías para transportar productos de petróleo liquido, entre centros de producción, auxiliares de localización, tanques de almacenamiento en campo, plantas de procesamiento de gas natural, refinerías, estaciones, terminales de entrega y puntos de captación. Ejemplos de tales productos son petróleo crudo, condensado, gasolina, gas natural liquido y gas licuado de petróleo.
ASME-B31.4: SISTEMA DE TRANSPORTE DE PETRÓLEO LIQUIDO POR TUBERÍA
ASME-B31.5: TUBERÍA DE REFRIGERACIÓN QUE TRABAJA A T < -196 °C (-320 °F)
ASME-B31.3: TUBERÍAS PARA PLANTAS QUÍMICAS Y REFINERÍAS DE PETRÓLEO
Ing. Arturo Gamarra Chinchay
Todas las secciones del código de tuberías para presión requieren calificación de los procedimientos de soldadura, habilidad del soldador y del operario de soldadura que se empleen en la construcción. Varias secciones requieren de esas calificaciones para ser ejecutadas de acuerdo con los requerimientos de la Sección IX del código ASME, mientras que en otros es opcional. La utilización del Estandar API 1104, Soldadura de Líneas de Tubería para Transporte de Gas y Petróleo y de Instalaciones Relacionadas o del código AWS D10.9, Especificación para la calificación del Procedimiento de Soldadura y Soldadores para Tuberías, es permitida en algunas secciones alternativas de la Sección IX del código ASME. Cada sección del código puede ser consultada para su aplicación en documentos de calificación.
Cubre las tuberías destinadas a las subestaciones de gas comprimido, gas medio y estaciones de regulación gas principal y líneas de servicio de salida para los consumidores establecidos.
Cubre la aplicación de los sistemas de tuberías para servicio en industria, comercio, publico, instituciones, fabricas y unidades multifamiliares. Esta incluye solamente aquellos sistemas de tubería dentro de las fabricas o limites de las propiedades.
ASME-B31.9: TUBERÍAS AL SERVICIO DE FÁBRICAS, INDUSTRIAS, COMERCIO Y UNIDADES MULTIFAMILIARES.
ASME-B31.8: SISTEMAS DE TUBERÍAS DE DISTRIBUCIÓN Y TRANSMISIÓN DE GAS.
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Es un documento cuyo texto principal contiene solo clausulas obligatorias que utilizan las palabras “SE DEBERA” para indicar requisitos y cuyo formato generalmente es apropiado para que otras normas u códigos hagan referencia a él o lo adopten como ley. Ejemplo:- Normas Técnicas.- Normas Metro lógicas
CONCEPTO DE NORMA
Es un documento normativo, establecido por consenso y aprobado por un organismo reconocido, que establece, para un uso común y repetido, reglas, directivas o características para ciertas actividades o sus resultados, con el fin de conseguir un grado óptimo de orden en un contexto dado.Nota: Es conveniente que las Normas Técnicas sean basadas en los resultados consolidados de la ciencia, la tecnología y la experiencia, y dirigirse a la promoción del beneficio óptimo para la comunidad. GP-ISO/IEC 2
NORMA TÉCNICA
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Es una norma que es una compilación extensa de clausulas que cubren una amplia gama de temas y que son plausibles de ser adoptadas y transformadas en leyes independientes de otros códigos o normas . Ejemplo:- NFPA.- ASME.- ASTM.
CONCEPTO DE CODIGOS Y STANDARDS
ASME es el acrónimo de American Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos). Es una asociación profesional, que ha generado un código de diseño, construcción, inspección y pruebas para equipos , entre otros, calderas y recipientes a presión. Este código tiene aceptación mundial yes usado en todo el mundo . Este código se utiliza principalmente para la especificación de los materiales en la construcción de los tanques para recipientes a presion (específicamente la Sección II - Materiales).Código ASME Sección II (Especificación de Materiales):Este código se divide en 4 partes:Parte A: Especificaciones de Materiales Ferrosos.Parte B: Especificaciones de Materiales No Ferrosos.Parte C: Especificaciones de varillas para soldar electrodos y metales de relleno.Parte D: Propiedades.
CÓDIGO ASME
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En un sistema de tuberías es usado como un elemento de unión, tal como un codo, una curva de retorno, una "tee", una unión, un reductor con rosca en sus extremos ("bushing"), una cruz, o una tubería corta con rosca en sus extremos("nipple"). No incluye elementos tales como una válvula o un regulador de presión.ANSI - American National Standards Institute (Instituto Estadounidense Nacional de Normalización):Es una organización privada sin fines de lucro, que permite la estandarización de productos, servicios, procesos, sistemas y personal en Estados Unidos . Además, ANSI se coordina con estándares internacionales para asegurar que los productos estadounidenses puedan ser usados a nivel mundial.API - American Petroleum Institute (Instituto Estadounidense del Petróleo):Es la principal asociación comercial de los EE. UU., representando cerca de400 corporaciones implicadas en la producción, el refinamiento, la distribución , y muchos otros aspectos de la industria del petróleo y del gas natural. Esta organización cuenta con un área destinada a la elaboración de normas en toda la industria del petróleo y gas natural.
TERMINOS UTILIZADOS ENLAS INSTALACIONES
ACCESORIO (FITTING):
Ing. Arturo Gamarra Chinchay
En la industria también se especifica los accesorios y válvulas mediante una clasificación que depende de la temperatura y presión. Para conocer cual es la presión máxima de operación es necesario contar con el estándar especifico de diseño.Ejm: Codos de acero Clase 3000, Tee de hierro fundido Clase 300.
TERMINOS UTILIZADOS EN LAS INSTALACIONES
CLASE:
Es aquel para el cual un diámetro nominal dado el diámetro externo permanece constante y su diámetro interior varía de acuerdo al espesor de pared (el espesor de pared es especificado de acuerdo al número de cédula).Ejm: Tubo de acero cedula 40.
TUBO:
Es aquel para el cual el diámetro nominal se relaciona con el diámetro externo .Ejm: Tubería de cobre Tipo K.
TUBERIA:
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El Código ASME Sección VIII, División 1, Sub-sección A, Parte UG se señala los requisitos generales para todos los métodos de construcción y los materiales permitidos; en cuanto a estos últimos se indica lo siguiente: a) El material sometido a tensión debido a la presión se ajustará a una de las especificaciones que figuran en la Sección II, Parte D, Sub-parte 1, Tablas 1A, 1B, y 3,incluidas todas las notas correspondientes en las tablas, y se limitará a aquellos que están permitidos en la parte aplicable de la sub-sección C, excepto por lo expresamente permitido en UG-9, UG-10, UG-11,UG-15, la Parte UCS y los apéndices obligatorios (…).b) El material de las piezas que no están sometidas a presión como faldas, soportes, deflectores, agarraderas, ganchos y superficies extendidas de transferencia de calor, no necesitan ajustarse a las especificaciones para el material al que están unidos, o para una especificación de material permitido en esta División, pero si están unidos por soldadura al recipiente, ésta deberá se de calidad soldable (…).
Normativa Internacional
Código ASME Sección VIII, División 1, Sub-sección A, Parte UG
Es una organización privada sin fines de lucro con sede en Northbrook (Illinois Estados Unidos) que se dedica a la realización de pruebas y ensayos para la certificación de seguridad, que evalúa productos, materiales y sistemas ; trabajando por la seguridad de los consumidores y sus bienes desde 1894.Válvulas:Es un Mecanismo que regula el flujo de la comunicación entre dos partes de una máquina o sistema.WOG (water, oil and gas):Es una especificación del tipo de fluido para el que esta diseñada las válvulas(WOG : agua, petróleo y gas). La numeración que acompaña al símbolo WOG señala la presión máxima de operación en Psi (lbs/pulg2).Ejm: 200 WOG, 600 WOG, etc. Otros términos que son utilizados en las instalaciones de GLP serán definidos según se avance con el curso.
TERMINOS UTILIZADOS EN LAS INSTALACIONES
UNDERWRITERS LABORATORIES INC. (UL):
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La Sub-sección C del Código ASME Sección VIII División 1, establece los requisitos pertenecientes a las clases de materiales. Tal como se indicó en la Parte UG de la Sub-sección A, la aplicación de la Sub-sección C estará limitada a lo establecido en la Parte UCS, la misma que señala los requisitos para recipientes a presión construidos de aceros al carbono y de baja aleación. En UCS-5 se indica que estos materiales sujetos a tensión debido a la presión estarán sujetos a una de las especificaciones dadas en la Sección II y se limitarán a las listadas en la Tabla UCS-23, salvo disposición en contrario en UG-10 y UG-11. Asimismo se señala que los aceros al carbono o de baja aleación con un contenido de carbono de más de 0,35%1 no se utiliza en la construcción soldada o ser formado por el corte de oxígeno.(1) Un contenido mayor de C puede dar lugar a endurecimiento en la zona del metal base afectada por el calor de la soldadura y como consecuencia a su fragilización.
Normativa Internacional
Subsección C del Código ASME Sección VIII División 1
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En UCS-6 se indica lo siguiente respecto a las planchas de acero:a)Las especificaciones aprobadas para las planchas de acero al carbono y de baja aleación se dan en la TablaUCS-23 (…)b)Las planchas de acero, según el SA-36, SA/CSA-G40.21 38W y SA-283 Grados A, B, C y D pueden ser usadas para las partes a presión en recipientes a presión siempre que se cumpla lo siguiente :(…) (3) Con la excepción de las bridas, cubiertas planas atornilladas, y los anillos de refuerzo, el espesor de las planchas en el cual se aplica la fuerza de soldadura no exceda de 5/8 pulgadas (16 mm).
Normativa Internacional
UCS-6
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La Tabla UCS-23 señala los distintos tipos de los materiales de acero al carbono y de baja aleación permitidos para recipiente a presión, los mismos que están identificados a través de su Número de Especificación1 y su correspondiente Tipo/Grado2. En base a estos materiales, podemos referirnos al ASME Sección II para encontrar sus propiedades*.(1)La especificación SA-XXX (Ej. SA-36) representa la versión aceptada por el Código ASME de la norma ASTM. Una vez que una norma ASTM es revisada, luego debe ser aceptada por el Comité del Código ASME Sección VIII. Tener en cuenta que muchos materiales de la ASTM no son aceptados por el Código ASME.(2)El Tipo/Grado representa la composición química exacta de los materiales a través de porcentajes de las cantidades permitidas de carbono, magnesio, níquel, etc. Por ejemplo, cuando se indique un material específico se dice: Una plancha de acero al carbono SA – 283 Grado C * LEER
Normativa Internacional
UCS-23
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El Código ASME Sección II, Parte D comprende las propiedades de los materiales1. Aquí se incluye la Sub-parte 1 que contempla diversas tablas de tensiones, entre ellas las Tablas 1A, 1B y 3 que se describirán a continuación. (1) La Sección II Parte D es publicada en dos versiones separadas. Una publicación contiene sólo valores en las unidades habituales de los Estados Unidos (Customary) y la otra contiene sólo valores en unidades del SI.
Normativa Internacional
Código ASME Sección II, Parte D
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ASME SECCIÓN II – TABLA 1A* 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12(*) Por fines didácticos, solo se muestran las propiedades de la tabla para un grupo de materiales
ASME SECCIÓN II
Ing. Arturo Gamarra Chinchay
ASME SECCIÓN II – TABLA 1A* 13 13(*) Por fines didácticos, solo se muestran las propiedades de la tabla para un grupo de materiales.
ASME SECCIÓN II
Ing. Arturo Gamarra Chinchay
ASME SECCIÓN II – TABLA 1A La Tabla 1A provee las tensiones admisibles en los materiales ferrosos utilizados en la Sección VIII, División 1. A continuación se explicará el contenido de la Tabla 1A, según las referencias señaladas en la l{amina anterior:3)El primer paso para la selección de los materiales es utilizar sus composiciones nominales, que representan los componentes de cada tipo de aleación como se conoce comercialmente.5)La Forma del Producto indica los tipos de elementos tales como la plancha (plate), brida (flange), tubo soldado (Wld. Pipe),tubo sin costura (Smls. Pipe), etc., de los cuales se requiere conocer sus clases de materiales permitidos y sus correspondientes propiedades para realizar el diseño del recipiente a presión. Para este segmento debemos concentrarnos principalmente en la forma de producto tipo PLATE, que está referida a la plancha del recipiente a presión .7)El Número de Especificación representa el tipo de material que debe cumplir determinados requisitos. Su definición está detallada en la nota 1 de la lámina N° 10 de esta presentación.9)El Tipo/Grado representa la composición química exacta del material. Su definición está detallada en la nota 2 de la lámina N° 10 de esta presentación.11)El Número UNS (abreviatura de "Sistema Unificado de Numeración de Metales y Aleaciones") es un plan sistemático en el que se designa cada metal por una letra seguida de cinco números. Se trata de un sistema de composición basado en los materiales comerciales y no garantiza ningún rendimiento de las especificaciones o la composición exacta de los límites de impurezas. A continuación se listan algunas aleaciones comunes comerciales: • Fxxxxx - Hierro, incluidos los hierros dúctiles y fundiciones • Gxxxxx - Aceros al carbono y aleados • Kxxxxx - Aceros, incluyendo Maraging, acero inoxidable, aceros HSLA (de baja aleación y alta resistencia, de hierro- Base Superaleaciones • Sxxxxx - Aceros Inoxidables, incluyendo de endurecimiento de acero inoxidable y superaleaciones a base de hierro • Txxxxx - Aceros para herramientas • Zxxxxx - Aleaciones de Zinc
ASME SECCIÓN II – TABLA 1A
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ASME SECCIÓN II – TABLA 1A1) La Clase/Condición de Templado especifica el tipo de tratamiento dado al material3) El Tamaño/Espesor (pulg.) representa los valores o rango de valores admisibles de los espesores establecidos para cada tipo de material. Como se observa en la tabla, no todos los materiales presentan estas restricciones.5) Resistencia mínima a la tracción (tensión)7) Límite elástico mínimo9) Límites de Temperatura11) N° de Gráfico de presión externa13) Las Notas constituyen los requisitos y restricciones que deben cumplir cada tipo de material. Estas se encuentran al final de la Tabla.14) Los valores de tensión (esfuerzo) máxima permitida están en función a la temperatura que el metal no debe exceder, de acuerdo a sus condiciones de servicio.Veamos un ejemplo: Para la plancha de acero al carbono SA 283 Grado B, tenemos las Notas G10, S1, T1, que dicen lo siguiente:G10: En exposición prolongada a temperaturas superiores a 800 ° F, la fase de carburo de acero al carbono se puede convertir en grafito.S1: (Aplicable a calderas)T1: Los esfuerzos admisibles para una temperatura mayor o igual a 700 ° F, son valores obtenidos a partir de las propiedades dependientes del tiempo.Por lo tanto, para este tipo de plancha seleccionada, a temperaturas mayores de 700°F no figuran valores admisibles de esfuerzos. En el caso de tanques GLP, esto no representa mayor problema, dado que la selección del esfuerzo estaría en función a las condiciones de operación del tanque (ej.: lugares muy calurosos o fríos).
ASME SECCIÓN II – TABLA 1A
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ASME SECCIÓN II – TABLA 1B La Tabla 1B proporciona las tensionesadmisibles en los metales no ferrososutilizados en la Sección VIII.Dado que la normativa nacional dicta que lostanques deben ser de acero (metal ferroso),esta tabla no será de utilidad en estesegmento.
ASME SECCIÓN II – TABLA 1B
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ASME SECCIÓN II – TABLA 3(*) Por fines didácticos, solo se muestran las propiedades de la tabla para un grupo de materiales.
ASME SECCIÓN II – TABLA 3
Ing. Arturo Gamarra Chinchay
ASME SECCIÓN II – TABLA 3 La Tabla 3 proporciona tensiones admisibles en los pernos de los materiales para su uso en la Sección VIII, División 1.Un ejemplo del uso de estos pernos se da en la tapa del manhole (entrada de hombre) del tanque.
ASME SECCIÓN II – TABLA 3
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MATERIALES PARA TANQUES de modo de resumen para este segmento, se listan a continuación los tipos de materiales más comunes utilizados en el Perú para planchas de recipientes a presión: Material N° Especificación Tipo/Grado Restricciones de espesor de pared Acero al carbono estructural SA – 36 Plancha de acero al carbono de baja y media SA – 283 C resistencia a la tracción Plancha de acero al carbono de baja y media SA – 285 C resistencia a la tracción Plancha de acero al carbono, manganeso y silicio SA – 299 Plancha de acero al carbono para servicio de SA – 515 70 intermedia y alta temperatura Plancha de acero al carbono para servicio de SA – 516 70 moderada y baja temperatura Plancha de acero al carbono con manganeso de alta SA – 455 t ≤ 3/8” resistencia Plancha de acero al carbono con manganeso de alta SA – 455 3/8” < t ≤ 0.58” resistencia Plancha de acero al carbono con manganeso de alta SA – 455 0.58 < t ≤ 3/4” resistencia Plancha de acero al carbono, de alta resistencia para SA – 612 1/2” < t ≤ 1” servicio de moderada y baja temperatura Plancha de acero al carbono, de alta resistencia para SA – 612 t ≤ 1/2” servicio de moderada y baja temperatura Lámina de acero al carbono SA-414 G(1) Información recopilada de certificados de recipientes a presión y de la experiencia de diseñadores y proyectistas nacionales.
MATERIALES MÁS COMUNES UTILIZADOS EN EL PERÚ
Ing. Arturo Gamarra Chinchay
Para explicar sobres los materiales aprobados para las partes (accesorios, bridas, boquillas, planchas de sacrificio, soportes metálicos, etc.) que se instalan en los tanques de presión, aplicamos lo señalado en la UG-4 el cual diferencia los materiales en dos principales tipos: Materiales para partes sujetos a esfuerzo o presión. Materiales para partes que no están sujetos a presión. PARTE NO SUJETA A PRESIÓN PARTE SUJETA A PRESIÓN
PARTE NO SUJETA A PRESIÓN / PARTE SUJETA A PRESIÓN
Ing. Arturo Gamarra Chinchay
PARTES SUJETAS A ESFUERZO O PRESIÓN. En los tanques a presión se instalan accesorios, bridas, boquillas, etc., que se encuentran sometidos a la presión del tanque. Las especificaciones de los materiales permitidos más utilizados para estas partes se detalla en la siguiente tabla: Tipo Normatividad Material Especificación Referencia Tubos y Tuberías ASME Sección II, Acero SA-53, Grado B, SA-106 UG-8 del ASME Parte D Sección VIII, División 1 Accesorios ASME B16.9 SA-234, SA-403, SA-420 y UG-44 del ASME soldados para ASME Sección II, SA-815 Sección VIII, División 1 Tubos o Tuberías Parte D Accesorios ASME B16.11 SA-234, SA-403, SA-420, UG-44 del ASME roscados para ASME Sección II, SA-815, SA-105, SA-182, y Sección VIII, División 1 Tubos o Tuberías, Parte D SA-350 y boquillas Bridas, accesorios ASME B16.5 Ver Tabla SA-105, SA-181, SA-350 y UG-44 del ASME bridados para ASME Sección II, pagina siguiente otros Sección VIII, División 1 Tubos o Tuberías Parte D Ver Tabla pagina siguiente Pernos ASME Sección II, Acero SA-193, SA-194 y SA-307 UG-23 del ASME Parte D Sección VIII, División 1
PARTES SUJETAS A ESFUERZO O PRESIÓN
Ing. Arturo Gamarra Chinchay
PARTES SUJETAS A ESFUERZO O PRESIÓN ACCESORIOS BRIDAS CODO ASME B 16.9 ASME B 16.5 ASME B 16.11
PARTES SUJETAS A ESFUERZO O PRESIÓN
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PARTES NO SUJETAS A PRESIÓN En los tanques a presión se instalan faldones, soportes, azas para izaje ,planchas para sacrificio, etc., que no se encuentran sometidos a la presión de operación del tanque. La UG-4 señala que las materiales permitidos para estás partes no necesitan cumplir las especificaciones del ASME Sección VIII, pero si están conectado al recipiente por medio de soldadura deberán ser de calidad soldable.
PARTES NO SUJETAS A ESFUERZO O PRESIÓN
