Criterios de Selecion de Materiales Para Recipienteas a Presion UNAM

14-11-2013

Universidad Nacional Autnoma de Mxico

Facultad de Estudios Superiores Zaragoza

Diseo de Equipo

Criterios de Seleccin de Materiales para

Recipientes a Presin

Asesor: Dr. Calderas Garca Fausto

Alumnos:

Cano Prez Lizeth

Cobos Valdez Karen Alejandra

Lpez Ramrez Jos Alfredo

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MXICO | CRITERIOS DE SELECION DE MATERIALES PARA RECIPIENTES A PRESION

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ndice

1. Introduccin . 2

1.1 Recipiente a presin 2

1.2 Criterios de seleccin de materiales ..2

1.3 Filosofa del diseo

2. Clases de materiales.. 3

2.1 Aceros al carbn4

2.2 Aceros aleados .6

2.3 Aceros de baja aleacin ..6

2.4 Aceros de alta aleacin 7

2.5 Materiales ferrosos9

2.5.1 Cobre .10

2.5.2 Aluminio.10

3. Propiedades que deben tener los materiales para satisfacer las condiciones

de servicio...11

3.1 propiedades mecnicas.11

3.2 propiedades fsicas.11

3.3 propiedades qumicas11

3.4 soldabilidad..12

4. Evaluacin de materiales Sugeridos .12

5. Consecuencias de una mala seleccin .12

6. Esfuerzos Admisibles 14


2

1.- Introduccin

1.1 RECIPIENTE A PRESIN

Se considera como un recipiente a presin cualquier vasija cerrada que sea capaz

de almacenar un fluido a presin manomtrica, ya sea presin interna o vaci,

independientemente de su forma y dimensiones. Los recipientes cilndricos a que

nos referimos en este tomo, son calculados como cilindros de pared delgada.

Existen varios tipos de recipientes a presin que se utilizan en plantas industriales

o de procesos. Algunos de ellos tienen la finalidad de almacenar sustancias para

algn proceso requerido.

Son usados cuando la presin del lquido a manejar puede determinar un diseo

ms resistente. Varios cdigos se han desarrollado o por medio de los esfuerzos

API y el ASME para gobernar el diseo de tales recipientes.

1.2 CRITERIOS DE SELECCIN DE MATERIALES

En la etapa de diseo de recipientes a presin, la seleccin de los materiales de

construccin es de relevante importancia, para lo cual necesitamos definir una

secuencia lgica para la seleccin de estos.

As pues realizaremos un breve anlisis de la filosofa a que sigue la ASME, para

seleccionar sus materiales y por consiguiente para especificarlos como adecuados

en la construccin de los recipientes a presin.

Y de acuerdo a las necesidades del usuario

1.- El recipiente debe ser el ms econmico sin descuidar los parmetros de calidad

y eficiencia.

2.- Todos los materiales requeridos para su diseo debern ser comercializados en

el mercado nacional para evitar gastos de importacin y deber cubrir todas las

necesidades que dicta el cdigo ASME en su seccin VII

3.- Garantizar el buen funcionamiento del recipiente, considerando una durabilidad

adecuada la cual nos disipe posibles accidentes.


3

4.- Deber almacenar 600ft3 sin dificultad

5.-El recipiente deber resistir la presin a la cual se requiere que el lquido se

encuentre.

6.- Se har un recipiente en el cual el usuario pueda disponer de el sin gran

dificultad.

1.3 FILOSOFIA DEL DISEO

En general los recipientes a presin diseados de acuerdo con el cdigo ASME

Secc. VIII Div. 1. son diseados por reglas que no requieren

una evaluacin detallada de todos los esfuerzos. Se reconoce que existen esfuerzos

secundarios elevados flexionante pero al admitir un factor elevado de seguridad y

las reglas del diseo, estos esfuerzos sern compensados como regla general

cuando se realiza un anlisis ms detallado de esfuerzos permiten considerar

esfuerzos admisibles mayores en lugar de usar un factor de seguridad elevado

como el utilizado en el cdigo. Un factor de seguridad elevado refleja una falta

de conocimiento de los esfuerzos reales.

El diseador debe de familiarizarse con los diversos tipos de esfuerzos y cargas

para lograr un diseo econmico y seguro.

2.- CLASES DE MATERIALES

El cdigo ASME indica la forma de suministro de los materiales ms utilizados, lo

cual va implcitas en su especificacin. A continuacin se dan algunos ejemplos de

materiales, su especificacin y forma de suministro.

Debido a la existencia de diferentes materiales disponibles en el mercado, en

ocasiones no resulta sencilla la tarea de seleccionar el material ya que deben


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considerarse varios aspectos como costos, disponibilidad de material,

requerimientos de procesos y operacin, facilidad de formato, etc.

As pues es necesaria una explicacin ms amplia acerca del criterio de la seleccin

de los materiales que pueden aplicarse a los recipientes como:

2.1 ACEROS AL CARBN

Los aceros al carbn y de baja aleacin son usualmente usados donde las

condiciones de servicio lo permitan por los bajos costos y la gran utilidad de estos

aceros.

Los recipientes a presin pueden ser fabricados de placas de acero conociendo las

especificaciones de SA-7, SA-113 C y SA-283 A, B, C, y D, con las siguientes

consideraciones:

Los recipientes no contengan lquidos gases letales.

La temperatura de operacin est entre -20 y 650F.

El espesor de la placa no exceda de 5/8".

El acero sea manufacturado por horno elctrico u horno abierto.

El material no sea usado para calderas.

Uno de los aceros ms usados en los propsitos generales en la construccin de

recipientes a presin es el SA-283 C.

Estos aceros tienen una buena ductilidad, fusin de soldadura y fcilmente

mquinables. Este es tambin uno de los aceros ms econmicos apropiados para

recipientes a presin; sin embargo, su uso es limitado a recipientes con espesores

de placas que no excedan de 5/8" para recipientes con un gran espesor de cascarn

y presin de operacin moderadas el acero SA-285 C es muy usado. En el caso de

presiones altas o dimetros largos de recipientes, un acero de alta resistencia puede


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ser usado como el acero SA-212 B es conveniente para semejantes aplicaciones y

requiere un espesor de cascarn de solamente de 790% que el requerido por el SA-

285 C. Este acero es tambin fcilmente fabricado pero es ms caro que otros

aceros.

El acero SA-283 no puede ser usado en aplicaciones con temperaturas sobre 650F;

el SA-285 no puede ser usado en aplicaciones con temperaturas que excedan de

900F, y el SA-212 tiene muchos esfuerzos permisibles bajos en las temperaturas

ms altas, por lo que el acero para temperaturas entre 650 y 1000F.

El acero SA-204, el cual contiene 0.4 a 0.6% de molibdeno es satisfactorio y tiene

buenas cualidades. Para temperaturas de servicio bajas (-50 a -150F) un acero

niquelado tal como un SA-203 puede ser usado. Los esfuerzos permisibles para

estos aceros no estn especificados por temperaturas bajas de -20F. Normalmente

el fabricante hace pruebas de impacto para determinar la aplicacin del acero y

fracturas a bajas temperaturas.


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2.2 Aceros Aleados

Se considera que un acero es aleado cuando el contenido de un elemento excede

uno o ms de los siguientes lmites:

1,65% de manganeso

0,60% de silicio

0,60% de cobre

O cuando hay un % especificado de cromo, nquel, molibdeno, aluminio, cobalto,

Niobio, titanio, tungsteno, vanadio o zirconio

Se usan principalmente cuando se pretende:

desarrollar el mximo de propiedades mecnicas con un mnimo de distorsin y

fisuracin.

promover en un grado especial: resistencia al revenido, incrementar la tenacidad,

disminuir la sensibilidad a la entalla.

mejorar la maquinabilidad en condicin de temple y revenido, comparndola con

un acero de igual % de carbono en la misma condicin

Generalmente se los usa tratados trmicamente; el criterio ms importante para su

seleccin es normalmente su templabilidad, pudiendo todos ser templados en

aceite.

2.3 Aceros de baja aleacin

Como su nombre lo indica, estos aceros contienen bajos porcentajes de elementos

de aleacin como nquel, cromo, y carbn etc. Y en general estn fabricados para

cumplir condiciones de uso especfico. Son un poco ms costosos que los aceros

al carbn. Por otra parte no se considera que sean resistentes a la corrosin, pero


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tienen mejor comportamiento en resistencia mecnica para rangos ms altos de

temperaturas respecto a los aceros al carbn.

Son de bajo % de C; aleados con Va, Nb, N, Ti, en aproximadamente 0,03% c/u, de

manera que precipitan carbonitruros de Va, Nb, Ti que elevan el lmite elstico entre

30 y 50 %.

Presentan garanta de las propiedades mecnicas y ngulo de plegado. Son de fcil

soldabilidad y tenaces. No admiten tratamiento trmico.

2.4 Aceros de alta aleacin

Comnmente llamados aceros inoxidables. Su costo en general es mayor que para

los dos anteriores. El contenido de elementos de aleacin es mayor, lo que ocasiona

que tengan alta resistencia a la corrosin tales como:

a) Austenticos

17-19 % Cr 8-13 % Cr

4-8 % Ni 8-14 % Ni

6-8 % Mn

No son duros ni templables, poseen una alta capacidad de deformarse

plsticamente. El ms ampliamente utilizado es el 304.


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A esta categora pertenecen los aceros refractarios (elevada resistencia a altas

tempera-turas). Ejemplo:

30330 (35% Ni, 15% Cr)

b) Martensticos

AISI 514XX

Contienen 11 a 18 % Cr; son templables; para durezas ms elevadas se aumenta

el % Cr (formacin de carburos de Cr). Se usan para cuchillera; tienen excelente

resistencia a la corrosin.

c) Ferrticos

AISI 514XX 515XX

Poseen bajo % de C y alto Cr (10-27 %) de manera de reducir el campo y mantener

la estructura ferrtica an a altas temperaturas.


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2.5 MATERIALES NO FERROSOS

El propsito de utilizar este tipo de materiales es con el fin de manejar sustancias

con alto poder corrosivo para facilitar la limpieza en recipientes que

procesan alimentos y proveen tenacidad en la entalla en servicios a baja

temperatura.

Se pueden clasificar en tres grupos

a) Metales no ferrosos pesados: Son aquellos cuya densidad es igual o mayor a 5

gr/cm3. Se encuentran en este grupo el cobre, el estao, el plomo, el zinc, el nquel,

el cromo y el cobalto.

b) Metales no ferrosos ligeros: Tienen una densidad comprendida entre 2 y 5

gr/cm3. Los ms utilizados son el aluminio y el titanio.

c) Metales no ferrosos ultraligeros: Su densidad es menor a 5 gr/cm3. Se encuentran

en este grupo el berilio y el magnesio, aunque el primero de ellos raramente se

encuentra en estado puro, sino como elemento de aleacin.

Todos estos metales no ferrosos, es estado puro, son blandos y poseen una

resistencia mecnica bastante reducida. Para mejorar sus propiedades, los metales

puros suelen alearse con otros.

Los ms comunes son:


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2.5.1 Cobre

Las propiedades de este metal son:

Es uno de los metales no ferrosos de mayor utilizacin.

Tiene un color rojo-pardo.

Su conductividad elctrica es elevada (solo superada por la plata)

Su conductividad trmica tambin es elevada.

Es un metal bastante pesado, su densidad es 9 5 gr/cm3

Resiste muy bien la corrosin y la oxidacin.

Es muy dctil y maleable.

2.5.2 Aluminio

Las propiedades de este metal son:

- Es un metal muy ligero (2,7 5 gr/cm3) y muy resistente a la oxidacin.

- Es un buen conductor elctrico y del calor.

- Es muy dctil y maleable.


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3.- PROPIEDADES QUE DEBEN TENER LOS MATERIALES PARA

SATISFACER LAS CONDICIONES DE SERVICIO

3.1 PROPIEDADES MECANICAS.

Al considerar las propiedades mecnicas del material es deseable que tenga buena

resistencia a la tensin, alto nivel de cedencia, por cierto de alargamiento alto y

mnima reduccin de rea. Con estas propiedades principales se establecen los

esfuerzos de diseo para el material en cuestin.

3.2 PROPIEDADES FISICAS.

En este tipo de propiedades se buscar que el material deseado tenga coeficiente

de dilatacin trmica.

3.3 PROPIEDADES QUIMICAS.

La principal propiedad qumica que debemos considerar en el material que

utilizaremos en la fabricacin de recipientes a presin es su resistencia a la

corrosin.


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3.4 SOLDABILIDAD.

Los materiales usados para fabricar recipientes a presin deben tener buenas

propiedades de soldabilidad, dado que la mayora de los componentes son de

construccin soldada. Para el caso en que se tengan que soldar materiales

diferentes entre l, estos debern ser compatibles en lo que a soldabilidad se refiere.

Un material, cuando ms elementos contenga, mayores precauciones debern

tomarse durante los procedimientos de soldadura, de tal manera que se conserven

las caractersticas que proporcionan los elementos de aleacin.

4.- EVALUACION DE LOS MATERIALES SUGERIDOS

Vida estimada de la planta

Duracin estimada del material

Confiabilidad del material

Disponibilidad y tiempo de entrega del material

Costo del material

Costo de mantenimiento e inspeccin

Para espesores mayores de 51 mm llevarn relevado de esfuerzos

Para espesores mayores de 51 mm llevarn relevado de esfuerzos

5.- CONSECUENCIAS DE UNA MALA SELECCIN

Este factor es de muchsima importancia ya que un material mal seleccionado nos

causar muchos problemas, las consecuencias que se derivan de ello son:


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Reposicin del equipo corrodo. Un material que no sea resistente al ataque

corrosivo puede corroerse en poco tiempo de servicio.

Sobre diseo en las dimensiones. Para materiales poco resistentes al ataque

corrosivo puede ser necesario dejar un excedente en los espesores dejando margen

para la corrosin, esto trae como consecuencia que los equipos resulten ms

pegados, de tal forma que encarecen el diseo adems de no ser siempre la mejor

solucin.

Mantenimiento preventivo. Para proteger los equipos del medio corrosivo es

necesario usar pinturas protectoras.

Paros debido a la corrosin de equipos. Un recipiente a presin que ha sido

atacado por la corrosin necesariamente debe ser retirado de operacin, lo cual

implica las prdidas en la produccin.

Contaminacin o prdida del producto. Cuando los componentes de los

recipientes a presin se han llegado a producir perforaciones en las paredes

metlicas, los productos de la corrosin contaminan el producto, el cual en algunos

casos es corrosivo.


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ACEROS RECOMENDABLES PARA DIFERENTES TEMPERATURAS

CONCEPTO DE ESFUERZO ADMISIBLE

Temperatura en C Temperatura en F Material para

Cascaron

Cabezas y

Plantillas de

Refuerzo

-67 a -46.1 -90 a -51 SA-203 B* SA-203 A

-45.6 a -40.5 -50 a -41 SA-516-65 SA-203 B

-40 a 15.6 -40 a +60 SA-516-70+ SA-516-65

15.6 a 343 +60 a 650 SA-285-C SA-515-70

344 a 412.8 -651 a +775 SA-515-70

6.- ESFUERZOS ADMISIBLES

Son los grados de exactitud con los cuales las cargas pueden ser estimadas, la

confiabilidad de los esfuerzos estimados para estas cargas, la uniformidad del

material, el peligro a la falla ocurre y en otras consideraciones como:

Esfuerzos locales con concentracin de esfuerzos, fatiga y corrosin.

Para materiales que sean sometidos a temperaturas inferiores al rango de

termo fluencia los esfuerzos admisibles se pueden considerar con el 25% de

la resistencia a la tensin o el 62.5% de la resistencia a la cedencia a la

temperatura de operacin. Los materiales usados para anclaje en el rango

de temperatura de -20 a 400F (-28.88 a 204.44C) se considera que es un

20% de la resistencia a la cedencia.

El porcentaje de resistencia a la cedencia usando como esfuerzo admisible

es controlado por un nmero de factores tales como la exactitud con la cual


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la carga de confiabilidad de los esfuerzos con frecuencia se usa un esfuerzo

admisible para aceros estructurales.

. =

2 =

2

3


16

BIBLIOGRAFA:

CDIGO ASME,

Norma SAE aceros

TESIS EVALUCIN DE LOS CRITERIOS DE DISEO Y

CONFIGURACIN ESTRUCTURAL DE RECIPIENTES A PRESIN,

Realizado por: Belkis Enindian Romero Pino, Barcelona, Agosto 2010,

Universidad de Oriente.

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