A temperaturas debajo del rango de deslizamiento, los valores de esfuerzo permisible están establecidos en el valor mas bajo de esfuerzo obtenido del uso del 25% de la fuerza mínima ultima especificada a la temperatura del cuarto, ó 25% de la fuerza ultima mínima esperada a la temperatura, ó 62.5 % del esfuerzo de cedencia mínimo esperado para 0.2% de desplazamiento en temperatura. Para material de atornillado, los valores de esfuerzo estuvieron basados sobre 20% del esfuerzo tensil mínimo, ó 25% del esfuerzo de cedencia para 0.2% de deslizamiento, cualquiera sea menor. ( Es reconocido que a los tornillos generalmente se espera funcionen a esfuerzos arriba del valor de diseño, como se a distinguido de otras partes ).
Ningún crédito es permitido para aumentar las propiedades tensiles por tratamientos térmicos especiales.
A temperaturas mas altas, donde el deslizamiento gobierna, los valores de esfuerzo estuvieron basados sobre el 100% del esfuerzo para producir una tasa de deslizamiento de 0.01% para mil horas , los valores de manera tal seleccionados están siendo basados
sobre un promedio conservador de muchas pruebas reportadas como evaluadas por el Subcomité, el mayor peso esta siendo dado la las pruebas de largo tiempo en la evaluación de datos. En adición a los requerimientos de esfuerzo de deslizamiento arriba estipulados, los valores de esfuerzo fueron también limitados al 100% de los esfuerzos para producir ruptura al final de las 100 000 horas, los valores de manera tal seleccionados están siendo basados sobre un promedio conservador de muchas pruebas reportadas como evaluadas por el Subcomité. Sin embargo, en la mayoría de los casos, el esfuerzo de deslizamiento esta lejos debajo del esfuerzo de ruptura. También, en unos pocos casos , el Subcomité ha provisto valores de esfuerzo sin datos de prueba de ruptura sobre la composición especifica, tales aprobaciones se basan sobre pruebas de materiales de composición similar.
En el rango de transición de temperaturas, los esfuerzos permisibles fueron limitados a valores obtenidos de una curva suave juntando los valores para los rangos de baja y alta temperatura, la curva descansando sobre o debajo de la curva de 62.5% del esfuerzo de cedencia mínimo esperado a la temperatura.. En la selección de los valores de esfuerzos , en el rango donde un porcentaje del esfuerzo tensor o el esfuerzo de cedencia gobiernan, las limitaciones indicadas arriba han sido repudiadas en ciertos casos ( Este valor de 100% concierne al Código de recipientes a presión sin fuego. En el código de calderas de potencia, esta limitación de esfuerzo es 60% del promedio ó 80% del esfuerzo mínimo para producir la ruptura en las 100 000 horas como se reporta en los datos de prueba) como fue sentido que los valores mas altos de esfuerzo podían ser justificados cuando la deformación no fuera en si misma objetable, provistos todos los otros requerimientos que hayamos encontrado.
En el diseño de equipos no cubiertos por lis códigos, los valores de esfuerzo de diseño pueden ser decididos con los manufactureros y vendedores de tubería, y debieran estar basados sobre los mejores datos asequibles mas un conocimiento de la expectativa de vida del equipo, también como las condiciones de operación, y el posible daño al personal. Las reglas que generalmente se siguen son:
a. Hasta 750°F ó 850°F, 25% del esfuerzo tensil de corto tiempo y que no exceda de 62.5 % del esfuerzo de cedencia. b. Arriba de 900°F, 100% del esfuerzo para producir una tasa de deslizamiento en la segunda etapa de 0.01% en 1 000
horas, ó 80% de los esfuerzos para producir ruptura en 100 000 horas, cualquiera es menor.
9.11 Recubrimientos refractarios
Los recubrimientos refractarios se usan en hornos de secado, hornos de coque, fogones, y chimeneas, para proteger las partes metálicas de la exposición directa de temperaturas altas ( figura 9.16 ). Los refractarios necesarios para resistir muy altas temperaturas sin fundirse, debieran tener necesariamente propiedades mecánicas y de transferencia de calor, no debieran reaccionar con el medio en el interior del fogón, y grandes cantidades necesitan ser asequibles a bajo precio ( referencia 5 ). Basados en sus propiedades químicas, los refractarios son clasificados como: acidos ( silica ), básicos ( magnesia ) y neutros ( mineral de cromo ). La forma ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||estándar para refractarios es el ladrillo. En el diseño de un laminador de acero, tuberías de diámetro grande inclinadas se usan. Es de importancia el calculo de peso a ser soportado en los puntos de apoyo ( figura 9.16 )
Densidad del refractario = 40 lb/ Densidad del acero = 0.283 lb/ Densidad del aislamiento =11 lb/
Diámetro interior del refractario = 39 pulg Diametro exterior del tubo = 48 pulg Diametro exterior del aislamiento = 52 pulg
Figura 9.16 Recubrimiento refractario Peso por pie = peso de ( refractario + metal tubería + aislamiento ) (9.20)
= 47 39 12 + 48 47 12 (0.283) + 52 48 12 = 151.55+255.83+21
= 428.46 lb/pie
Ejercicios
1. ¿Verdadero o falso?
(a) Los muelles fríos no pueden ser usados para reducir el momento sobre un recipiente. (b) El modulo caliente de elasticidad pude ser usado para calculo de esfuerzo.
(c) Para calculo de espaciado, la máxima deflexión permitida adentro de la planta es 1 pulgada. (d) El código de tubería B31.1 permite el uso de SIF en-plano y fuera de plano.
(e) El refuerzo (pad) es necesario cuando el área requerida es mas pequeña que el área removida. (f) Cuando hay presión interna incluida decrece el valor del SIF para un codo.
(g) Cuando los efectos de bridas están incluidos para un codo, el factor de flexibilidad se reduce. (h) Las espiras de expansión toman menos espacio comparado con una junta de expansión. 2. ¿Verdadero o falso?
(a) El muelleo frio solo puede ser aplicado a tubería caliente . (b) Para calculo de espaciado el modulo caliente debiera ser usado. (c) La presión interna incrementa el factor de flexibilidad para un codo. (d) Las espiras de expansión son mas seguras que las juntas de expansión.
(e) El crecimiento de la boquilla de un recipiente es para ser incluido en cálculo de esfuerzos. (f) El diseño de tubería (refinería) esta gobernado por el código ASME.
(g) El diámetro exterior de una tubería de 6”Ø (diámetro nominal) es 6.5”.
(h) El diámetro de salida es mas grande que el diámetro de entrada de válvulas de alivio de presión. 3. Una tubería subterránea de 12”Ø ced 40 ASTM-A53 grado B tiene las siguientes condiciones:
Temperatura de operación: 175°F Temperatura de instalación: 70°F Profundidad de la fosa: 3 pies 6 pulg Gravedad especifica del contenido: 0.73 Presion de operación: 375 psig
(a) ¿Dónde esta la localización del anclaje natural?
(b) ¿La cantidad de expansión térmica en el extremo? ( el coeficiente de friccion = 0.75) 4. Calcular la fuerza de expansión dinámica con el sistema de descarga abierto.
Flujo = 165 000 lb/hr
Área del orificio de la válvula = 55 J = 778 pie-libra/BTU ; g = 32.2 pie/
Temperatura = 650°F; PR 0 155 psig = 1 374 BTU/lb ( de las tablas de vapor) a = 823 BTU/lb ; b = 4.33
la línea de descarga es 6”Ø ced 40.
5. Un compresor de gas reciprocante de doble acción tiene una tasa de velocidad máxima de 650 rpm, con una presión de pulsación limitada a 13 psi. La tubería de descarga es de 3”Ø ced 40. ¿Cuál será la fuerza de pulsación?, ¿Cuál es el máximo espaciado (claro) entre soportes de tubería? =3.02 .
6. Una tubería de 20”Ø de acero al carbón tiene un grosor de pared de .25”. El mínimo esfuerzo de cedencia especificado es 47 000 psi a una presión de diseño de 600 psig. La temperatura de diseño es 170°F y la temperatura de invierno es 25°F.Si el esfuerzo flexor es 9 200 psi, ¿ Cual es la temperatura de conexión? ( el rango de temperatura entre verano e invierno es 25 a100°F.
7. Una tubería de crudo de 18”Ø va a ser diseñada con una presión de operación de 1 300 psi, y una temperatura de operación de 170°F. La tubería que se usara es API-grado X52 soldada por resistencia eléctrica. La eficiencia de junta de la soladura es 85%. El esfuerzo mínimo permisible especificado es 53 000 psi. La temperatura de contruccion esperada es de 75°F. Si el esfuerzo flexor es 9 750 psi, ¿Cuál será el grosor de pared de la tubería?.
9. Para una tubería de 20”Ø la presión de operación máxima requerida es 670 psig, y la temperatura de operación máxima esperada es 165°F. El material del tubo será API-5Lx, grado X52 con un esfuerzo de cedencia minimo especificado de 49 000 psi. Basado en la presión el grosor de pared calculado es 0.25”. Si la temperatura de conexionx tiene que ser 75°F con un esfuerzo flexor de 7 700 psi, Calcular el esfuerzo en la tubería.
Referencias
1. Información sobre válvulas se obtiene de:
Vogt Forged Steel Valves, Fittings, Union, Flanges, Catalog F-12 Powell Valves, Catalog 150
Walworth Valves, Catalog 130 Crane Valve Fittings, Catalog 60
2. King, C. Reno and Sabin Croker. Piping Handbook, New York: Mc Graw Hill
3. Amir,S.J. “Calculating heat transfer from a Buried pipeline” Chemical Engineering (August 4,1975) 4. Schweitzer, Handbook of corrosion Resistant Piping. Industrial Press
5. Nord, Melvin Textbook of engineering Materials, New York: Wiley 6. ANSI Standard A58.1, Wind Loads for Buildings and Other Structures. 7. Leonards,G.A. Foundation Engineering, New York: Mc Graw Hill 8. Owens-Corning, Plastic Pipe Program
9. ITT Grinnell “ Pipe Hangers Design an Engineering” in Weght of Piping Materials, revised in 1979 10. Truong,Q.N. “ International Piping Conference”, at Texas A & M University, Texas, April , 1983.