Referencias Bibliográficas
Biblioteca del Ingeniero Químico,
Perry & Chilton Eds.
Richard Greene, ‘Válvulas, Selección uso y mantenimiento’
Howard F. Rase, Piping Design for Process Plants
Piping Handbook, Crocker & King Eds.
Tuberías y accesorios: algunos principio de
diseño
Relevancia del tema
Estandarización
Diseño
Accesorios
Tuberías y
accesorios:
relevancia del
análisis
� Cumplimiento del servicio (requerimientos de caudal,
regulación, calidad del producto, seguridad, costo de
bombeo)
� Incidencia en costo (materiales, instalación y
mantenimiento)
Tuberías y accesoriosrelevancia del análisis
76%
24%
tubería y válvulas resto de materiales
25 – 35 % de costos de material30 – 40 % de costos de instalación40 – 48 % de horas de cálculo ingenieril
Ejemplo, análisis de costos en planta de producción de óxido de etileno
Sistemas de cañerías: estándares
¿Por qué es necesaria la estandarización?
• Establecen criterios de diseño, seguridad,instalación y verificación
• Minimizan diferencias en el equipamiento ymateriales
Norma: Regla que se debe seguir o a que se deben ajustar las
conductas, tareas, actividades, etc.
Estándares: documentos preparados por un grupo de
profesionales con requerimientos acerca de lo que se
consideran prácticas adecuadas de ingeniería.
Escritos en forma imperativa
Código: grupo de reglas generales o estándares sistemáticos para
diseño, materiales, fabricación, instalación e inspección
preparadas de forma tal que puede ser adoptada por la
legislación
Estándares y códigos
Sistemas de cañerías: estándares
Código ASME – B31 (ANSI – B31)
ANSI (American National Standard Institute)
API (American Petroleum Institute)
ASME (American Society of Mech. Eng.),
compatible con AWS (American Welding Soc.)
Requisitos de ingeniería necesarios para el diseño yla construcción; no son códigos de diseño. Noevitan la necesidad del juicio competente delprofesional
Código ASME – B31
Prescribe los requisitos mínimos para el diseño, materiales,
fabricación, instalación, prueba e inspección
Para abordar el diseño utiliza tres criterios diferentes
� Proporciona fórmulas de diseño y esfuerzos máximos
� Prohíbe el uso de materiales, componentes o métodos de
montaje para ciertas condiciones
� Prevé el uso de componentes de dimensiones
normalizados según la presión y temperatura
Código ASME – B31
Los diferentes procesos difieren en los materiales que son prohibidospara su utilización, componentes o métodos de montaje
Se permite utilizar materiales no reseñados en las normas si hancumplido previamente un análisis de esfuerzo o pruebas deverificación)
� B31.3 – Tubería de proceso
Diseño del producto químico y plantas y refinerías del petróleoque procesan los productos químicos e hidrocarburos, agua yvapor. Este código contiene las reglas para instalación eimplantación de tubos encontrados típicamente en refineríasdel petróleo; productos químicos, farmacéuticos, textiles,papel, y plantas criogénicas.
El código se aplica en instalaciones de tuberías que manejanlíquidos: (1) productos químicos crudos, intermedios, yfinales (2) productos de petróleo; (3) gas, vapor, aire y agua;(4) sólidos fluidificados; (5) refrigerantes; y (6) líquidoscriogénicos
Código ASME – B31
Consideraciones de diseño:
1-Presiones externas e internas (considerar condiciones extremas)
2-Temperaturas de diseño (para T≥0ºC,en tuberías no aisladas seconsidera la temperatura del metal como % de temperatura delfluido, para tuberías aisladas se considera igual a temp del fluido)
3-Influencias ambientales, considera el vacío provocado porenfriamiento del fluido y aumento de presión por expansión enciclo de calentamiento
Código ASME – B31
Consideraciones de diseño (continuación):
4-Efectos dinámicos, se debe prever: impacto hidráulico del fluido,
viento, terremotos y vibraciones
5-Considera peso del contenido (carga viva), cañería y accesorios
(carga muerta) y de fluido de prueba (carga de prueba)
6-Cargas de compresión – expansión térmica en tuberías con
anclajes que impiden movimiento libre de tubería
Especificación
� Método de fabricación� Material� Diámetro interno� Espesor� Expansión térmica� Aislamiento� Soportes� Accesorios
Métodos de fabricación de tuberías
Sin costura� Extrusión
� Horadado
� Moldeado (centrífugo o estático)
Métodos de fabricación de tuberías
� Soldados: láminas conformadas en cilindros y soldadas en las costuras (tope, traslape, refuerzo, etc.)
� Se obtienen diámetros mayores y relación espesor/diámetro menores que con el primer método
� Posibilidad de fugas en las soldaduras
Especificación
� Método de fabricación� Material� Diámetro interno� Espesor� Expansión térmica� Aislamiento� Soportes� Accesorios
Materiales para tuberías
Metálicos No metálicos
Ferrosos
No ferrosos
Fundición
Acero
Baja aleación
Aleado
Fibrocemento
gres, vidrio
PVC, PP, PE
Goma
Grafito
C>2 %
C<2%
Acero inoxidable
Cu, Ni, Pb, Al
Cuando se selecciona el material deben considerarse:
� Características del material:
Propiedades mecánicas (módulo elástico, límite de fluencia, dureza, ductilidad, resistencia a fatiga)
� Características del escurrimiento (P, T, etc.)
Materiales para sistemas de tuberías
� Sensibilidad a choque térmico: fallas por resquebrajamiento delmaterial
� El material en su entorno: degradación o fragilización porefectos ambientales (corrosión, choques térmicos, UV)
� Comportamiento frente a la exposición al fuego (fusión,degradación, pérdida de elasticidad)
� Proceso al cual sirve la instalación
Posible contaminación de producto
Seguridad del proceso
Materiales para sistemas de tuberías
� Facilidad de fabricación, soldado, mantenimiento
y reemplazo
� Costo
Materiales para sistemas de tuberías
Costo de material
� Se debe considerartambién en el cálculo decosto:� tensión de diseño� densidad
� velocidad de corrosión
� costo de fabricación
Metal U$/kilo
Acero al carbono
0,6
AISI 304 3
AISI 316 5
Cobre 7
Aluminio 2.6
Monel 16
Titanio 40
-)
e
de
e
(+)
efuentede
Fuente de electrones
Sumidero de electrones
M
O2
O-2
M+n
e-
Electrolito
Corrosión electroquímica
Corrosión galvánica
• Conocida también como corrosión bi-metálica
• Condiciones: Dos metales distintos, en contacto eléctrico,inmersos en un mismo electrolito (atmósferas húmedas osoluciones corrosivas), pero también el mismo metal en doscondiciones distintas de exposición
• El metal más activo se corroe con mayor rapidez que siestuviera aislado, mientras que el metal más noble disminuyesu corrosión
Serie galvánica en agua de mar (25ºC)
→ Magnesio más activo→ Cinc→ Aluminio, cadmio→ Hierro, acero baja aleación→ Plomo→ Níquel→ Latones→ Cobre→ Bronce→ SS 316, 317→ Plata→ Platino más noble
Corrosión galvánica• De acuerdo con la tabla podrá
predecirse que el hierro tenga uncomportamiento anódico frenteal cobre
• El cinc es anódico frente al hierroy lo protege formando pargalvánico con él
• Sin embargo la morfología yvelocidad del efecto no se puedepredecir a partir de lospotenciales de electrodo, debenconsiderarse -entre otrosaspectos- las áreas expuestas(efecto de la densidad decorriente) y característicasprotectivas de los productos decorrosión formados
Recomendaciones� Seleccionar metales próximos en la serie galvánica
correspondiente
� Aislar eléctricamente metales con distinta actividad
� Eliminar relaciones de áreas desfavorables (evitar áreas anódicas pequeñas frente a una catódica grande)
� Prevenir acceso de agua y O2 a la zona de contacto de dos metales
� Tener en cuenta conductividad del electrolito
Corrosión erosión
Aumenta la velocidad de corrosión debido al
movimiento relativo de un fluido corrosivo sobre la
superficie metálica.
Debemos evitar turbulencias localizadas y altas
velocidades de flujo
Cavitación
Presión del fluido cae por debajo de su correspondiente presión de vapor, provocando formación y colapso de las burbujas sobre la superficie
Acero inoxidable
�2 % de producción mundial de acero, sin embargo tienemayor importancia tecnológica y económica que la querevela su porcentaje de producción
�Utilizado en la construcción de equipamientos con mayorresistencia a la corrosión
�Aleación de hierro y cromo o hierro/níquel y cromo(contenido mínimo de 11%)
�El cromo previene la formación de corrosión enatmósferas ‘no poluídas’ (de ahí su de designaciónpopular de ‘inoxidable’)
Hay mas de 70 tipos estándares de aceros inoxidables
Cu, Ti Al, bajo Ni
MENOR RESISTENCIA A LA CORROSIÓN
304 (18/8)
317
316
Mo mayor resistencia al picado
Mo mayor resistencia al picado
309, 310, 314, 330
AleacionesNi–Cr–Fe
Cr y Ni mayor ductilidad y resistencia
a corr.
Ni mayor resistencia a la corrosión a altas
temperaturas
303, 303Se
S o Se para mejora de maquinabilidad
Endurecidos por precipitación
329, ss dobles
Cr, bajo Ni, aplicaciones especiales
AusteníticoFe–Ni–Mn–N
347
321
REDUCCIÓN DE CORROSIÓN POR SENSITIZACIÓN
Nb + Ta
Ti
304L
316L
317L
Bajo C
Ni – Cr – Fe (Mo – Cu – Nb)
Ni, Mo, Cu, Nb
Materiales metálicos no ferrosos
Cobre y aleacionesCu: alta conductividad térmica, buena resistencia a la
corrosión, maquinabilidad, resistenciaUsado en tuberías, radiadores, equipos de destilería,
(formación de óxido protector en superficie) facilidad para operaciones de soldadura
Aleaciones de uso comúnBronce comercial (90Cu – 10 Zn) Cu/Zn : LatonesMuntz: Cu/Zn=60/40Admiralty , (Intercambiadores de calor): 71Cu-28Zn-1Sn
Cu/Sn: Bronces
Cuproníqueles
� Aluminiobaja densidad
buena resistencia a la corrosiónbuena conductividad térmicacomportamiento anfótero
� Níquelmuy buena resistencia al ataque de
álcalisMonel: aleación 33Cu – 67NiHastelloy: Ni – Mo – Fe – otros (buena resistencia a corrosión)
� Plomopoca resistencia mecánica gran maleabilidad
a mayor pureza, mayor resistencia a la corrosión
Aplicaciones industriales (revestimiento de equipos y tuberías) y transporte de agua y sustancias químicas
CincPrincipal aplicación: recubrimiento de acero (GALVANIZADO)
El Zn es más electronegativo que el Fe y actúa como ánodo de sacrificio
Aplicación en: tuberías, piezerío, alambre, chapas, etc
Materiales no metálicos
� Asbesto – CementoUtilización en aguas subterráneas, efluentes, lixiviados de fábricas de papel Óxido de silicio y cemento portland reforzado con asbesto, conformado a alta presiónManejo de soluciones en el rango de pH 4.5 – 14Material frágil, dilata al mojarse
Materiales no metálicos� Grafito impermeable: cuerpos de válvula, accesorios,
tuberías, elementos sellantes. Se hace impermeable por impregnación con resinas.
Con resina fenólica es resistente a los ácidos, álcalis y fluidos oxidantes. Caro pero duradero
Materiales no metálicos
� Hormigón (no reforzado): Ductos para aguas pluviales
� Vidrio: resistente a los ácidos salvo el HF y el H3PO4 glacial
Materiales no metálicos� PlásticoLibres de corrosión, se cortan y unen con facilidad
(calor, solventes o atornilladas)Esfuerzos y limites superiores de temperatura bajos.
Menor espaciamiento de soportes. Suceptibles a altas temperaturas e incidencia de UV
Materiales no metálicos
� PE, temperatura ambiente, resistencia a sales, NaOH y NH4OH, H2SO4, HCl y HNO3
� PVC y CPVC: resistente a temperatura ambiente a sales, alcohol y nafta, NH4OH, H2SO4, HCl, HAc y HNO3
� PP resistentes a ácidos minerales u orgánicos y sus sales, álcalis y muchos productos químicos orgánicos
� Resinas
Accesorios, recipientes y tuberías. Las resinasfenólicas, clorofenólicas, acrílicas, son resistentes amayoría de ácidos y álcalis, así también a muchoshidrocarburos, compuestos orgánicos halogenados yácidos orgánicos
Se refuerzan con asbestos, fibra de vidrio u otros
Pueden utilizarse para recubrir acero u hormigónarmado
� Tuberías recubiertas o reforzadasVidriados, caucho, PP, PTFE, hormigón, alambre,
poliésterCombinan la resistencia física de la tubería con la
resistencia química del material de recubrimiento
Especificación
� Método de fabricación
� Material
� Diámetro interno
� Espesor
� Expansión térmica
� Aislamiento
� Soportes
� Accesorios
Criterios para selección de diámetros internos
Diámetro económico
Selección basada en criterio económico de modo que tenerun costo mínimo de propiedad y funcionamiento de líneasy tuberías
El fluido debe ser impulsado por una bomba o compresor,cumpliendo el servicio requerido (H, P y Q) y venciendolas pérdidas por fricción
Si los efectos de fricción deben ser vencidos por un impulsor,los costos anuales son los siguientes:
� Potencia de bombeo
� Mantenimiento de bomba y línea
� Carga de costos de capital de bomba y línea
Costo($/año)
Diámetro de tubería
Costo Total
Costo de capital
Costo de mantenimiento
Costo de bombeo
1- Costo de carga de capital, proporcional a diámetro de
cañería
2- Costos de mantenimiento no son significativamente
afectados por el diámetro de cañería
3- los costos de bombeo caen rápidamente al aumentar el
diámetro de cañería
Criterios para selección de diámetros internos
1- Razones de accesibilidad en el mercado
2- Velocidades recomendadas o caídas de presión recomendadas:
Rase & Barrow, Kern, Perry
Ejemplos: líq. orgánicos no viscosos 1 – 3 m/slíq. orgánicos viscosos 0.3 – 1 m/svapor saturado 30 – 40 m/svapor sobrecalentado 50 – 80 m/s
Especificación
� Método de fabricación
� Material
� Diámetro interno
� Espesor
� Expansión térmica
� Aislamiento
� Soportes
� Accesorios
Criterios para selección de espesores
Factores a considerar:
material del caño
temperatura y presión
diámetro de la cañería
método de fabricación del caño
Espesor mínimo de pared
tm: espesor mínimo requerido [in]P: presión de diseño [psi]S: esfuerzo admisibleE: Factor longitudinal de soldaduraDo: diámetro externoY: coef. de corrección según tipo de material (0-0.7, según sea
más o menos frágil )C: factor de seguridad por corrosión, erosión, muescas o roscados
tm=
P D0
2 (SE+PY )+C
(cañerías metálicas rectas sometidas a presión interna), Perry 5ta ec.6-37:
Tuberías de acero comercial: Estándar API
Clasificación antigua: Standard (ST)
extra-strong (XS)
double extra-strong (XXS)
Pipe
Combinaciones estándar de tamaño y espesor de paredes para acero forjado
comercial
Sch ~ 1000 P/S P = presión interna de trabajo
S = esfuerzo permitido para el material
Sch number: generalmente se usan 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160.
ΦN < 10”: Sch 40 = STD y Sch 80 = XS
ΦN < 4”: Sch 160 = XXS
NNextN
NN
NextN
DD
D
D
Φ≠Φ≠→⟨ΦΦ≅→⟩Φ⟩
Φ≅→⟩Φ
int
int
''3
''12''3
''12